[논문 리뷰] Severe Constraints on Off-Axis GRB Jets in Type Ibc Supernovae From Late-Time Radio Observations

A. Soderberg, D. A. Frail외 1명|arXiv (Cornell University)|2004. 02. 06.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 폭발 후 5.6년 경의 후기 전파 관측을 분석하여 SN 1998bw와 GRB 980425가 경사진 전방향 감마선 폭발 제트에서 기인했을 가능성을 검증한다. 관측된 전파 상한선은 일반적인 경사진 제트 모델을 배제하며, 이는 원자성질질량 손실률이 <4×10⁻⁷ M☉/yr 또는 자기 에너지 분율 εB <10⁻³이어야 가능하다는 조건을 수반한다—이 조건은 천체물리학적 감마선 폭발에 비추어 보면 매우 부자연스럽다. 이에 따라 국소적 Ibc 초신성의 최대 6%만이 총구형 상대론적 외부 유동을 생성할 수 있다.

ABSTRACT

It has been suggested that the peculiar properties of the luminous Type Ic supernova SN 1998bw and perhaps its low-energy gamma-ray burst GRB 980425 may be understood if they originated in a standard gamma-ray burst explosion viewed far from the axis of the relativistic jet. In this scenario, strong radio emission is predicted from the jet on a timescale 1 to 10 years after the explosion as it decelerates and spreads into our line of sight. To test this hypothesis we have carried out late-time radio observations of SN 1998bw at t=5.6 years, yielding upper limits which are consistent with the continued fading of the supernova. We find these limits to be consistent with an off-axis jet only if the progenitor mass loss rate is \\dot{M} &lt; 4 x 10^{-7} solar masses per year (for a wind velocity v_w=1000 km/s) or the fraction of the shock energy in magnetic fields is \\epsilon_B &lt; 10^{-3}. These values are unlikely based on observations of cosmological GRBs. We combine the SN 1998bw measurements with existing observations for a sample of 15 local Type Ibc supernovae to estimate that at most 6% produce collimated, relativistic outflows.

연구 동기 및 목표

• SN 1998bw와 GRB 980425가 경사진 상대론적 제트에서 기인했을 가능성을 검증하기 위해.
• 감속하는 제트에서 발생하는 후기 전파 복사가 t=5.6년에 감지 가능한지 여부를 판단하기 위해.
• 관측 결과와 일치하는 조건에서 제트 파rameter(예: 질량 손실률, 자기 에너지 분율)를 제약하기 위해.
• 통합된 전파 데이터를 기반으로 국소적 Ibc 초신성 중 총구형 상대론적 외부 유동을 생성하는 비율을 추정하기 위해.

제안 방법

• 폭발 후 5.6년 경의 SN 1998bw에 대한 후기 전파 관측을 수행하여 복사 밀도 상한선을 측정하였다.
• 감속하고 퍼지는 제트에서 발생하는 전파 복사를 예측하기 위해 경사진 상대론적 제트의 이론 모델을 사용하였다.
• 관측된 전파 상한선과 모델 예측을 비교하여 원자성질질량 손실률(Ṁ)과 자기 에너지 분율(εB)을 제약하였다.
• SN 1998bw의 데이터를 기존의 15개 국소 Ibc 초신성의 전파 관측 데이터와 융합하여 총구형 외부 유동을 갖는 사건의 비율을 추정하였다.
• 통계적 추론을 적용하여 Ibc 초신성 중 상대론적 제트를 갖는 사건의 비율에 대한 상한선을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SN 1998bw의 경사진 감마선 폭발 제트에서 발생하는 후기 전파 복사가 t=5.6년에 감지될 수 있는가?
• RQ2 관측된 전파 상한선이 원자성질의 질량 손실률과 제트 내 자기 에너지 분율에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 관측 결과와 일치하기 위해 필요한 제트 파rameter는 천체물리학적 감마선 폭발 데이터에 비추어 물리적으로 타당한가?
• RQ4 국소적 Ibc 초신성 중 총구형 상대론적 외부 유동을 갖는 비율은 대략 얼마인가?

주요 결과

• t=5.6년 시점에서 관측된 전파 상한선은 SN 1998bw의 지속적인 흐림과 일치하며, 경사진 제트로 인한 밝아짐의 증거는 보이지 않는다.
• 원자성질질량 손실률이 1000 km/s의 바람 속도에서 <4×10⁻⁷ M☉/yr이어야만 경사진 제트 모델이 관측 결과와 일치한다.
• 또 다른 가능성은 자기 에너지 분율 εB <10⁻³이어야 한다—이 값은 천체물리학적 감마선 폭발 관측 결과에 비추어 매우 부자연스럽다.
• SN 1998bw와 다른 15개의 국소 Ibc 초신성을 통합하여, 최대 6%의 초신성이 총구형 상대론적 외부 유동을 생성한다고 추정한다.
• 결과적으로 경사진 감마선 폭발 제트는 Ibc 초신성에서 흔한 특성은 아니며, 이러한 사건이 국소 우주에서 흔하다는 주장에 도전한다.