[논문 리뷰] Tale of GRB 171010A/SN 2017htp and GRB 171205A/SN 2017iuk: Magnetar origin?

Amit Kumar, Shashi B. Pandey외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 02.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 116인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 3.6m Devasthal Optical Telescope에서 확보한 후기 시기 광학 복사계수 측정과 즉각성 방출 분석을 통해, GRB 171010A/SN 2017htp와 GRB 171205A/SN 2017iuk 두 개의 저광도 감마선 폭발 연관 초신성에 대한 자기성자 기원 가설을 조사한다. MINIM 코드를 사용한 반분석 광도곡선 모델링은 두 GRB-초신성과 초광도 초신성 2011kl의 전체 복사광도곡선을 가장 잘 재현하는 것이 밀리세컨드 자기성자의 감속 기원임을 보여주며, 이는 이러한 드문 에너지가 큰 천체적 변동 현상들에서 자기성자가 기여하는 공통 기원임을 뒷받침한다.

ABSTRACT

We present late-time optical follow-up observations of GRB 171010A/SN 2017htp ($z$ = 0.33) and low-luminosity GRB 171205A/SN 2017iuk ($z$ = 0.037) acquired using the 4K$ imes$4K CCD Imager mounted at the 3.6m Devasthal Optical Telescope (3.6m DOT) along with the prompt emission data analysis of these two interesting bursts. The prompt characteristics (other than brightness) such as spectral hardness, T$_{90}$, and minimum variability time-scale are comparable for both the bursts. The isotropic $X$-ray and kinetic energies of the plateau phase of GRB 171205A are found to be less than the maximum energy budget of magnetars, supporting magnetar as a central engine powering source. The new optical data of SN 2017htp and SN 2017iuk presented here, along with published ones, indicate that SN 2017htp is one of the brightest and SN 21017iuk is among the faintest GRB associated SNe (GRB-SNe). Semi-analytical light-curve modelling of SN 2017htp, SN 2017iuk and only known GRB associated superluminous supernova (SLSN 2011kl) are performed using the $ exttt{MINIM}$ code. The model with a spin-down millisecond magnetar as a central engine powering source nicely reproduced the bolometric light curves of all three GRB-SNe mentioned above. The magnetar central engines for SN 2017htp, SN 2017iuk, and SLSN 2011kl exhibit values of initial spin periods higher and magnetic fields closer to those observed for long GRBs and H-deficient SLSNe. Detection of these rare events at such late epochs also demonstrates the capabilities of the 3.6m DOT for deep imaging considering longitudinal advantage in the era of time-domain astronomy.

연구 동기 및 목표

• GRB 171010A/SN 2017htp와 GRB 171205A/SN 2017iuk에 대한 후기 시기 광학 관측을 통해 자기성자 기원 가설을 조사한다.
• 스펙트럼 경도, T90 및 최소 변동 시간 스케일에 중점을 두어 두 폭발의 즉각성 방출 특성을 비교한다.
• MINIM 코드를 사용하여 SN 2017htp, SN 2017iuk 및 SLSN 2011kl의 반분석 광도곡선 모델링을 수행하여 추진 메커니즘을 시험한다.
• 확산 질량, 56Ni 질량, 운동 에너지 및 자기성자 자전 주기와 자기장 강도와 같은 핵심 물리적 매개변수를 제약한다.
• 다른 천체적 변동 현상군(예: sGRBs, EE-sGRBs, lGRBs, SLSNe I)과의 비교를 통해 이 GRB-초신성들의 유도된 자기성자 매개변수(초기 자전 주기 및 자기장)가 자기성자 추진 천체적 변동 현상의 연속성을 나타내는지 평가한다.

제안 방법

• SN 2017htp(~폭발 후 43일차)와 SN 2017iuk(~폭발 후 105일차)에 대해 3.6m Devasthal Optical Telescope의 4K×4K CCD 이미저를 사용하여 후기 시기 광학 복사계수 측정을 확보하였다.
• GRB 171010A와 GRB 171205A의 즉각성 방출 데이터 분석을 수행하였으며, 플레이트오우 단계 동안의 등방성 X선 및 운동 에너지 계산을 포함하였다.
• 새로운 다중 대역 광학 데이터와 기존 자료를 융합하여 SN 2017htp, SN 2017iuk 및 SLSN 2011kl의 전체 복사광도곡선을 생성하였다.
• MINIM 코드를 적용하여 반분석 광도곡선 모델링을 수행하였으며, 방사성 붕괴(RD), 자기성자 감속(MAG), 보존성 물질 상호작용(CSMI)의 세 가지 추진 메커니즘을 시험하였다.
• 모델을 전체 복사광도곡선에 피팅하고, 초기 자전 주기(Pi), 자기장(B), 56Ni 질량(M_Ni), 확산 질량(Mej) 등의 최적 피팅 매개변수를 추정하였다.
• 이 세 GRB-초신성의 유도된 자기성자 매개변수(Pi 및 B)를 다른 천체적 변동 현상군(sGRBs, EE-sGRBs, lGRBs, SLSNe I)과 비교하여 자기성자 추진 천체적 변동 현상의 잠재적 연속성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀리세컨드 자기성자의 감속이 GRB 171010A/SN 2017htp와 GRB 171205A/SN 2017iuk의 관측된 전체 복사광도곡선을 설명하는 데 타당한 추진 메커니즘인가?
• RQ2 GRB 171205A의 플레이트오우 단계에서의 등방성 X선 에너지와 운동 에너지가 자기성자의 최대 에너지 예산을 초과하지 않으며, 이는 저광도 폭발의 자기성자 기원을 지지하는가?
• RQ3 MINIM 코드를 사용한 반분석 광도곡선 모델링은 이 GRB-초신성의 주요 추진원으로서 방사성 붕괴, 자기성자 감속, 보존성 물질 상호작용을 구분할 수 있는가?
• RQ4 SN 2017htp, SN 2017iuk 및 SLSN 2011kl의 자기성자 중심 엔진에서 유도된 초기 자전 주기와 자기장 강도는 무엇이며, 다른 자기성자 추진 천체적 변동 현상과 비교해보면 어떠한가?
• RQ5 sGRBs, lGRBs 및 SLSNe I와 같은 다른 천체적 변동 현상군과의 비교에서, GRB-초신성들이 자기성자 매개변수(초기 자전 주기 및 자기장)의 물리적 연속성을 형성하는가?

주요 결과

• SN 2017iuk의 전체 복사광도곡선은 유일하게 자기성자 감속(MAG) 모델에 의해 가장 잘 재현되며, 타당한 물리적 매개변수를 제공한다. 반면, 방사성 붕괴(RD) 및 보존성 물질 상호작용(CSMI) 모델은 데이터에 적합하지 않다.
• SLSN 2011kl의 전체 복사광도곡선은 MAG 및 CSMI 모델 모두에 의해 재현 가능하지만, MAG 모델이 물리적으로 일관된 설명을 제공한다.
• MINIM 코드를 사용한 반분석 광도곡선 모델링 결과, 감속하는 밀리세컨드 자기성자가 SN 2017htp, SN 2017iuk 및 SLSN 2011kl의 광도곡선을 설명하는 공통된 추진원임을 입증하였다.
• SN 2017iuk의 자기성자 중심 엔진은 초기 자전 주기가 더 길고 자기장 강도가 더 강하지만, 세 사건 간의 확산 질량은 유의미하게 다를 바가 없다.
• GRB 171205A의 등방성 X선 에너지(EX,iso)는 연구된 샘플에서 가장 낮으며, 운동 에너지(EK,iso)는 자기성자의 최대 에너지 예산 이하이므로, 이 저광도 폭발의 자기성자 기원을 지지한다.
• 초기 자전 주기(Pi) 및 자기장(B) 값의 비교 결과, 이 세 GRB-초신성은 SLSNe I 및 lGRBs보다는 Pi 값이 높고 sGRBs보다는 낮으며, B 값은 SLSNe I보다 높지만 lGRBs에 더 가깝다. 이는 자기성자 추진 천체적 변동 현상들이 다양한 유형 간에 물리적 연속성을 형성하고 있음을 시사한다.