[논문 리뷰] Self-Similarities and Power-laws in the Time-resolved Spectra of GRB 190114C, GRB 130427A, GRB 160509A, and GRB 160625B

Lichen Liang, R. Ruffini외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 28.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 페르미-GBM 및 페르미-LAT 데이터를 사용하여 네 개의 장수명 감마선 폭발(그리드 130427A, 그리드 160509A, 그리드 160625B, 그리드 190114C)에 고도화된 시간해상 분석을 적용하여 초상대론적 촉발 방출(UPE) 단계에서 자기유사 구조와 등급법 스케일링을 규명하였다. 이 연구는 10^{-14}초의 시간스케일에서 약 10^37erg의 양자로 이루어진 이산적이고 양자화된 방출 과정을 확인하였으며, 이는 이진 중성자별 시스템에서의 블랙홀 형성에 대한 통합 물리 모델(BdHNe I)을 지지한다.

ABSTRACT

[Shortened] CONTEXT: [...] AIMS: To identify and verify the BdHNe I properties in the additional sources GRB160509A, GRB160625B and GRB1340427A, and compare and contrast the results with the ones of a BdHN II source GRB180728A. We have also identified in all four sources, following the analysis GRB 130427A in the companion paper, the GeV radiation during and following the UPE phase. Also in all the four sources, we describe the spectral properties of their afterglow emission, including the mass estimate of the $ν$NS, following the results presented in the companion paper. METHODS: [...] RESULTS: The results of the spectral analysis have validated the common properties in all BdHNe I: the three Episodes as well as the self-similar structures and the associated power-laws in the UPE phase. The profound similarities of the results have made a significant step forward in the taxonomy of GRBs and in evidencing a standard composition of the BdHN I. This opens the opportunity of a vaster inquire of the astrophysical nature of their components in the population synthesis approach: e.g., the BH formation in all BdHN I occurs due to accretion of the SN ejecta in a tight binary system with a neutron star companion which reaches its critical mass, leading to the formation of the BH. The SN-rise in all five BdHNe are compare and contrasted. CONCLUSIONS: The most far reaching discovery of self-similarities and power-laws here extensively confirmed, thanks also to the conclusions presented in the companion papers, leads to the existence of a discrete quantized repetitive polarized emission, both in the GeV and MeV observed by {\it Fermi}-GBM and {\it Fermi}-LAT, on a timescale as short as $10^{-14}$s. These results open new paths in the discovery of fundamental physical laws.

연구 동기 및 목표

• GRB 190114C 이외의 여러 BdHNe I 소스에서 세 가지 구분된 스펙트럼 에피소드—SN 상승, 블랙홀 형성(UPE), 그리고 캐비티—의 존재를 검증하는 것.
• 이전에 그리드 190114C에서 관측된 UPE 단계에서의 자기유사 구조와 등급법 스케일링이 BdHNe I 전반에 걸쳐 일반적인지 테스트하는 것.
• BdHNe II(예: 그리드 180728A)와 대조하여 SN 상승 단계의 에너지와 이진 시스템의 진화에 차이를 부각하는 것.
• 고신뢰도이자 밝은 폭발에 기반한 시간해상 분석을 통해 GRB에 대한 표준화된 스펙트럼 분류 체계를 수립하는 것.
• 관측된 스펙트럼 특징을 이산적 양자화된 방출과 전조 슈퍼노바 핵의 회전 에너지와 같은 기본 물리 과정과 연결하는 것.

제안 방법

• 각 GRB의 UPE 단계에서 점점 더 짧은 시간스케일로 반복적인 시간해상 스펙트럼 피팅을 수행하였다.
• 세 가지의 명확한 스펙트럼 에피소드를 식별: SN 상승(절단된 파워레인지 + 블랙바디), 블랙홀 형성(UPE 및 자기유사성), 캐비티(특징이 없는 스펙트럼).
• UPE 단계에서 피킹업 문제가 있었음에도 불구하고, 그리드 130427A에 동일한 분석을 적용하였다.
• 모든 소스의 고에너지(GeV) 방출 및 후광 단계를 분석하기 위해 페르미-GBM 및 페르미-LAT 데이터를 사용하였다.
• BdHNe II(그리드 180728A)와의 비교를 통해 SN 상승 단계의 에너지와 궤도 진화의 차이를 부각시켰다.
• CO 핵의 회전 에너지 이론 모델과 안정성 한계(E_rot/|W| ≈ 0.14–0.25)를 통합하여 SN 상승 단계의 에너지를 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 190114C에서 식별된 세 가지 스펙트럼 에피소드(SN 상승, UPE, 캐비티)가 그리드 130427A, 그리드 160509A, 그리드 160625B와 같은 다른 BdHNe I 소스에서도 나타나는가?
• RQ2 UPE 단계에서의 자기유사 구조와 등급법 스케일링은 BdHNe I 전반에 걸쳐 일반적인가, 아니면 그리드 190114C에만 국한된가?
• RQ3 BdHNe I의 SN 상승 에너지는 BdHNe II와 비교하여 정량적으로 어떻게 다른가? 이는 전조 슈퍼노바 핵의 회전과 이진 진화에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 10^{-14}초의 시간스케일에서 약 10^37erg의 관측된 이산적 양자화된 방출의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ5 관측된 스펙트럼 특징은 밀착된 이진 시스템에서의 붕괴를 통한 블랙홀 형성에 대한 통합 모델로 일관되게 설명될 수 있는가?

주요 결과

• SN 상승, UPE, 캐비티 세 가지 스펙트럼 에피소드는 그리드 130427A, 그리드 160509A, 그리드 160625B, 그리드 190114C에서 일관되게 식별되어 BdHNe I에서의 일반성과 일관성을 확인하였다.
• 모든 네 개의 BdHNe I 소스에서 UPE 단계에서 자기유사 구조와 등급법 스케일링이 확인되어 공통된 물리적 메커니즘을 지니고 있음을 시사한다.
• 이산적 양자화된 방출 과정은 이전에 동반 논문에서 보고된 바와 같이, 10^{-14}초의 시간스케일에서 약 10^37erg의 양자로 관측되었다.
• BdHNe I의 SN 상승 단계는 상대적으로 높은 회전 에너지(~10^52erg)를 지닌 것으로 나타났으며, E_rot/|W| ≈ 0.05–0.25로 전조 슈퍼노바 핵의 고속 회전과 일치한다.
• 모든 소스의 후광 방출은 슈퍼노바 폭발에서 형성된 중성자별(νNS)에 의한 피드백과 일치하여, 간접적 증거로 슈퍼노바 발생을 확인한다.
• BdHNe II(예: 그리드 180728A)의 SN 상승 에너지는 훨씬 낮으며 약 ~10^49–10^50erg로, 약한 이진 상호작용과 긴 궤도 주기로 인해 고립된 슈퍼노바와 유사하다.