[논문 리뷰] Strong NIR emission following the long duration GRB 211211A: Dust heating as an alternative to a kilonova

Eli Waxman, E. O. Ofek외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 21.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 7

한 줄 요약

논문은 GRB 211211A의 장기적인 근적외선(NIR) 발광이 흔한 초신성 또는 표준 후광보다 강한 발광을 보이지만, 이는 흔히 예상되는 카일로노바가 아니라, 항성계 환경과의 상호작용으로 발생하는 자외선 및 연한 X선 복사에 의해 가열된-dust의 열복사에 기인한 것으로 제안한다. Waxman & Draine (2000)가 예측한 이 먼지 가열 메커니즘은 관측된 $f_{\nu,K}/f_{\nu,i} \approx 30$ 복사율 비율과 $\sim 10$일 동안의 $L_{\rm NIR} \approx 10^{41}$ erg s$^{-1}$ 발광을 설명하며, $z \lesssim 1$의 은하계 주변과 $\tau_V \approx 0.2-2$의 먼지 투과도와 일관된다.

ABSTRACT

The prolonged near infrared (NIR) emission observed following the long duration GRB 211211A is inconsistent with afterglow emission from the shock driven into the circum-stellar medium (CSM), and with emission from a possible underlying supernova. It has therefore been suggested that the observed NIR flux is the signature of a kilonova -- a radioactive ejecta that is similar to the outcome of the binary neutron star merger GW170817. We propose here an alternative plausible explanation. We show that the NIR flux is consistent with thermal emission from dust, heated by UV and soft X-ray radiation produced by the interaction of the GRB jet plasma with the CSM. This NIR emission was predicted by Waxman & Draine for GRBs residing near or withing massive molecular clouds. The dust NIR emission scenario is consistent with a GRB at $z\lesssim1$. Inspection of the environment of GRB 211211A suggests that there are at least two host-galaxy candidates, one at $z=0.076$ and the other at $z=0.459$. The $z=0.459$ possibility is also consistent with the non-detection of a supernova signature in the light curve of the GRB afterglow, and with a typical GRB $γ$-ray energy for the fluence of GRB 211211A.

연구 동기 및 목표

• 표준 후광 또는 초신성 발광보다 훨씬 강하고 장기적인 근적외선(NIR) 발광이 관측된 GRB 211211A의 원인을 설명하기 위해.
• 관측된 복사율 비율과 지속 기간과 일치하는 메커니즘을 제안함으로써, 기존의 카일로노바 해석을 도전하기 위해.
• GRB의 항성계 환경(CSM)과의 상호작용으로 발생하는 자외선 및 연한 X선 복사에 의해 가열된 먼지의 열복사로 관측된 NIR 발광이 설명 가능한지 테스트하기 위해.
• 관측 제약 조건과 먼지 가열 모델을 기반으로 GRB 211211A의 적색편이와 은하계 특성에 대한 제약 조건을 설정하기 위해.

제안 방법

• Waxman & Draine (2000)의 먼지 가열 모델을 적응하여, GRB의 전진 및 후진 충격에서 발생하는 자외선/X선 복사가 거대한 분자 구름 내 먼지를 가열할 수 있음을 예측한다.
• 일반적인 GRB 에너지 예산과 먼지 투과도 $\tau_V \approx 0.2-2$를 가정하여, 먼지 재처리에 의한 예상 NIR 빛의 강도를 계산한다.
• 예측된 NIR 복사율과 광도곡선을 $t \approx 5$일 시점에서의 관측된 $f_{\nu} \approx 2\,\mu$Jy ($K$-대역) 및 $f_{\nu,K}/f_{\nu,i} \approx 30$와 비교한다.
• 비초신성 서명의 비존재와 측정된 X선 후광 복사율과의 일관성을 평가한다.
• 두 가지 가능한 은하계 적색편이 $z = 0.076$ 및 $z = 0.459$를 고려하여, 먼지 가열 시나리오와 관측 제약 조건에 더 부합하는 것이 무엇인지 평가한다.
• 약 1 keV의 광자들이 먼지 가열에 미치는 영향을 평가하기 위해 이온화 및 흡수 단면적을 사용하며, 기체상 금속 이온화에 의한 차폐로 인해 비이온화 광자가 더 효과적임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 211211A의 장기적인 NIR 발광은 카일로노바가 아니라 먼지 가열에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 관측된 $f_{\nu,K}/f_{\nu,i} \approx 30$ 복사율 비율과 $L_{\rm NIR} \approx 10^{41}$ erg s$^{-1}$ 발광을 재현하기 위해 필요한 먼지 투과도와 구름 파ameters는 무엇인가?
• RQ3 관측된 NIR 발광은 Waxman & Draine (2000)가 제안한 먼지 가열 모델과 일치하는가, 특히 $z \lesssim 1$의 은하계에서?
• RQ4 광학-근적외선 광도곡선과 비초신성 서명의 비존재는 은하계 적색편이와 빛의 강도에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 약 1 keV 광자는 먼지 가열에 얼마나 효과적인가? 비이온화 광자보다 기여가 더 크다고 볼 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 $K$-대역에서의 NIR 복사율 $f_{\nu} \approx 2\,\mu$Jy와 $\sim 10$일 동안의 $L_{\rm NIR} \approx 10^{41}$ erg s$^{-1}$는 GRB의 항성계 환경(CSM)과의 상호작용에서 발생하는 자외선 및 연한 X선 복사에 의해 가열된 먼지의 열복사와 일치한다.
• $t \approx 5$일 시점에서의 $f_{\nu,K}/f_{\nu,i} \approx 30$ 복사율 비율은 카일로노바 모델과 불일치한다. GW170817에서 관측된 바와 같이 카일로노바 모델은 비율을 약 7로 예측하므로, 카일로노바 해석은 불가능하다.
• 먼지 가열 모델은 $\tau_V \approx 0.2-2$일 경우 강한 NIR 발광을 예측하며, 이는 관측된 복사율과 지속 기간과 일치하며, $z \lesssim 1$의 은하계와도 일관된다.
• $z = 0.459$ 은하계 솔루션은 비초신성 서명의 비존재, 일반적인 GRB $\gamma$-선 에너지, 관측된 후광 복사율과 모두 일치한다.
• 모델은 약 1 keV 광자가 금속의 기체상 이온화에 의해 차폐되므로 먼지 가열에 기여가 약하게 나타나며, 이로 인해 비이온화 광자가 주요 가열 기여자임을 예측한다.
• 모델은 $z \approx 0.5$에 위치한 어두운 저해상도 은하계를 암시하며, 빛의 강도는 $\lesssim 0.01L_\star$이며, HST와 JWST로 탐지 가능할 수 있다.