[논문 리뷰] Optical and infrared flares from a transient Galactic soft gamma-ray repeater

A. J. Castro‐Tirado, F. J. Aceituno외 34명|arXiv (Cornell University)|2008. 09. 24.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 SWIFT J195509+261406이 일시적인 은하계 연약 감마선 반복자(SGR)임을 제안하며, 이는 처음으로 광학 및 적외선에서의 폭발이 관측된 SGR이며, 3일간의 강력한 다파장 폭발 활동과 이후에 나타난 늦은 시기의 적외선 폭발을 보인다. 이 소스는 전통적인 긴 감마선 폭발과 마이크로쿼사르와는 다른 행동을 보이며, 지속적인 SGR들과 어두운 고립 중성자별 사이의 중간 수준의 침묵 상태 X선 빛줄기 강도를 가지므로, 새로운 유형의 일시적 SGR에 속할 가능성이 있다.

ABSTRACT

Soft gamma-ray repeaters (SGRs) are a rare type of gamma-ray transient sources that are ocasionally detected as bursts in the high-energy sky. They are thought to be produced by magnetars, young neutron stars with very strong magnetic fields of the order of 10^(14-15) G. Only three such objects are known in our Galaxy, and a fourth one is associated with the supernova remnant N49 in the Large Magellanic Cloud. In none of these cases has an optical counterpart to either the gamma-ray flares or the quiescent source been identified. Here we present multi-wavelength observations of a puzzling source, SWIFT J195509+261406, for which we detected more than 40 flaring episodes in the optical band over a time span of 3 days, plus a faint infrared flare 11 days later, after which it returned to quiescence. We propose that SWIFT J195509+261406 is a member of a subgroup of SGRs for which the long-term X-ray emission is transient in nature. Furthermore, it is the first SGR for which bursts have been detected in the optical and near-infrared bands and maybe the link between the "persistent" SGRs and the dim isolated neutron stars.

연구 동기 및 목표

• Swift/BAT에 의해 짧은 감마선 폭발로 탐지된, 광학/X선 행동이 이례적인 일시적 소스인 SWIFT J195509+261406의 성격을 규명하는 것.
• 다파장 폭발 및 스펙트럼 특성에 기반하여 이 소스가 연약 감마선 반복자(SGR), 마이크로쿼사르, 또는 새로운 천체물리적 천체인지 판단하는 것.
• X선, CO, 광학 데이터를 사용하여 소스의 거리와 침묵 상태 X선 빛줄기 강도를 제약하고, 이는 SGR 진화 계열 내에서의 위치를 평가하는 것.
• 이 소스가 지속적인 SGR들과 어두운 고립 중성자별을 연결하는 중간 수준의 침묵 상태 X선 빛줄기 강도를 가지므로, 그 연결 고리가 가능한지 조사하는 것.

제안 방법

• Swift/XRT, XMM-Newton, RATAN-600, Plateau de Bure, VLT/NACO, 그리고 지상 기반 광학/적외선 천체망원경을 이용한 다파장 후속 관측을 수행함.
• 6.0m BTA와 8.2m VLT를 포함한 여러 관측소에서 광학 및 적외선 광도 측정 및 스펙트럼 측정을 수행하여 폭발을 탐지하고 발광선을 측정함.
• Pico Veleta에서의 밀리미터 파장 CO (J=1-0) 관측을 통해 천구선 방향의 분자운 흡수를 이용해 소스의 거리를 추정함.
• X선 광도 곡선 및 스펙트럼을 흡수된 파wer 법칙으로 모델링하고, 거리에 따라 스케일링된 방법(D/10 kpc)²을 사용하여 빛줄기 강도를 계산함.
• 폭발 피크 진폭의 통계적 분석 결과, 정규분포가 아닌 로그정규분포를 보이며, 이는 잡음과는 다름없는 물리적 기원을 지지함.
• 무선 및 밀리미터 대역 방출에 대한 상한선을 사용하여 마이크로쿼사르 유사 행동을 배제하고, Hα 방출 상한선을 통해 이진계에서의 수축을 배제함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SWIFT J195509+261406은 연약 감마선 반복자(SGR)이며, 일시적 SGR의 새로운 아랫종류를 대표하는가?
• RQ2 3일간과 11일 후에 다시 관측된 강력하고 지속적인 광학 및 적외선 폭발 활동의 원인은 무엇인가?
• RQ3 이 소스의 침묵 상태 X선 빛줄기 강도는 얼마이며, 알려진 지속적인 SGR들과 어두운 고립 중성자별과 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 CO 흡수와 X선 빛줄기 강도 상한선을 이용해 소스의 거리를 제약할 수 있으며, 이는 소스의 분류에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 초기 트리거 이후로 Swift/BAT에서 추가적인 감마선 폭발이 관측되지 않았는데, 이는 다른 대역에서 강력한 폭발 활동이 있었음에도 불구하고 이유가 무엇인가?

주요 결과

• 소스는 3일 동안 40번 이상의 광학 폭발을 보였으며, 폭발 기준 기준으로 최대 약 ∼10² 배, 침묵 상태 기준으로는 ≥10⁴ 배의 피크 광도 진폭을 기록함.
• VLT/NACO 적응 광학 시스템을 사용해 초기 폭발 후 11일 만에 H-대역에서 희미한 적외선 폭발이 탐지됨.
• 초기 트리거 이후로 Swift/BAT에서 추가적인 감마선 폭발이 관측되지 않아, 이 소스는 초기 피크만 감마선에서 기록된 일시적 SGR일 가능성이 있음.
• 침묵 상태 X선 빛줄기 강도는 ≤ (2.5–7.2) × 10³² erg s⁻¹로 제약되며, 이는 지속적인 SGR(L_X ∼ 10³⁵ erg s⁻¹)와 어두운 고립 중성자별(L_X ∼ 10³⁰–10³¹ erg s⁻¹) 사이의 중간 수준임.
• CO 관측으로부터의 거리 제약(D > 7.0 kpc)과 X선 빛줄기 강도 상한선(D < 100 kpc)을 종합해 7–20 kpc의 거리 범위를 추정하며, 이는 은하계 SGR와 일치함.
• 감지 가능한 Hα 방출(< 9.0 × 10⁻¹⁶ erg s⁻¹ cm⁻²)과 무선 방출(< 0.3 mJy at 3σ)의 부재는 이진계에서의 수축과 마이크로쿼사르 행동을 각각 배제함.