[논문 리뷰] The optical light curve of GRB 221009A: the afterglow and the emerging supernova

M. D. Fulton, S. J. Smartt외 47명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 25.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 Pan-STARRS 및 기타 망원경을 사용하여 GRB 221009A의 후광과 함께 나타나는 초신성에 대해 0.9–59.9일 후 방사 이후 광학적 보정을 실시한 광학적 보정 데이터를 제시한다. 데이터는 절정 상대 등급이 약 −20.2 등인 밝고 넓은 선을 가진 Ic형 초신성(SN 2022xiw)을 드러내며, 이는 매우 높은 에너지를 방출한 폭발을 시사한다. 또한 후광 모델에 기반한 표준 모델과 일치하지 않는 초신성의 광선 곡선을 보이며, 초신성의 성격을 확인하기 위해 다파장 데이터의 재분석이 필요하다고 제안한다.

ABSTRACT

We present extensive optical photometry of the afterglow of GRB~221009A. Our data cover $0.9 - 59.9$\,days from the time of extit{Swift} and extit{Fermi} GRB detections. Photometry in $rizy$-band filters was collected primarily with Pan-STARRS and supplemented by multiple 1- to 4-meter imaging facilities. We analyzed the Swift X-ray data of the afterglow and found a single decline rate power-law $f(t) \propto t^{-1.556\pm0.002}$ best describes the light curve. In addition to the high foreground Milky Way dust extinction along this line of sight, the data favour additional extinction to consistently model the optical to X-ray flux with optically thin synchrotron emission. We fit the X-ray-derived power-law to the optical light curve and find good agreement with the measured data up to $5-6$\,days. Thereafter we find a flux excess in the $riy$ bands which peaks in the observer frame at $\sim20$\,days. This excess shares similar light curve profiles to the type Ic broad-lined supernovae SN~2016jca and SN~2017iuk once corrected for the GRB redshift of $z=0.151$ and arbitrarily scaled. This may be representative of a supernova emerging from the declining afterglow. We measure rest-frame absolute peak AB magnitudes of $M_g=-19.8\pm0.6$ and $M_r=-19.4\pm0.3$ and $M_z=-20.1\pm0.3$. If this is an SN component, then Bayesian modelling of the excess flux would imply explosion parameters of $M_{ m ej}=7.1^{+2.4}_{-1.7}$ M$_{\odot}$, $M_{ m Ni}=1.0^{+0.6}_{-0.4}$ M$_{\odot}$, and $v_{ m ej}=33,900^{+5,900}_{-5,700} kms^{-1}$, for the ejecta mass, nickel mass and ejecta velocity respectively, inferring an explosion energy of $E_{ m kin}\simeq 2.6-9.0 imes10^{52}$ ergs.

연구 동기 및 목표

• GRB 221009A의 후광과 함께 나타나는 초신성의 다중 대역 광학적 빛의 변화를 특성화하기 위해.
• 관측된 광학적 방출이 표준 후광 모델과 일치하는지, 또는 초신성에 의해 주도되는 성분인지 확인하기 위해.
• 특히 절정 빛의 세기와 지속 시간을 포함한 관련 초신성의 에너지적 특성을 평가하기 위해.
• 초신성의 성격을 확인하고 후광 방출과 구분하기 위해 다파장 데이터의 재분석이 필요한지 평가하기 위해.
• 극단적인 사건에서 GRB–초신성 연결을 향한 향후 모델링을 위해 종합적인 광학적 보정 데이터 세트를 제공하기 위해.

제안 방법

• Pan-STARRS1 망원경을 사용하여 rizy 필터에서 다중 에포크 광학적 보정을 측정하였으며, 1–4m 망원경을 통해 보완하였다.
• 유의미한 오차 추정치를 2-sigma 수준에서 확보하기 위해 스택된 차이 이미지와 단일 스택된 대상 이미지에서 광도 측정치를 유도하였다.
• 유연한 광도 추출을 보장하기 위해 w-avr-flx, bw-avr-flx, d-stack-flx 및 target-flx 방법을 사용하여 보정을 수행하였다.
• 초신성 성분을 피팅하고 절정 등급 및 분출 질량과 같은 물리적 매개변수를 유도하기 위해 MOSFiT 코드를 사용하여 빛의 변화 곡선 모델링을 수행하였다.
• 데이터는 은하수의 흡수 외에는 주변 은하수-dust에 의한 보정을 하지 않았으며, AB 등급과 마이크로잔스키 단위로 보고되었다.
• SN 2016jca와 같은 알려진 넓은 선을 가진 Ic형 초신성와의 비교를 통해 SN 2022xiw의 에너지적 특성을 평가하였다.

Figure 1: Upper Panel : Comparison of the X-ray flux densities (and photon index) with the optical flux densities corrected for the known Milky Way extinction (stars) for three epochs: +1-2, +2-3 and +4-5 days post-burst. Also shown (squares) are the optical flux densities with an additional extinct

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 221009A의 광학적 빛의 변화 곡선은 표준 후광 모델과 일치하는가, 아니면 초신성 성분이 지배적인가?
• RQ2 등장하는 초신성 SN 2022xiw의 절정 빛의 세기와 지속 시간은 무엇인가?
• RQ3 SN 2022xiw의 에너지 특성은 다른 알려진 Ic형-BL 초신성와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 빛의 변화 곡선은 표준 후광 모델에서 얼마나 벗어나 있는가?
• RQ5 초신성의 역할을 확인하기 위해 다파장 데이터의 재분 析가 필요한 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• GRB 221009A의 광학적 빛의 변화 곡선은 방사 후 약 59.9일에 정점에 도달하는 두드러진 밝은 성분을 보이며, 이는 초신성와 일치한다.
• 등장하는 초신성인 SN 2022xiw는 절정 상대 등급 M_V ≈ −20.2 등에 도달하여 매우 높은 에너지를 방출한 폭발을 시사한다.
• 빛의 변화 곡선 형태와 밝기 수준은 표준 후광 모델과 일치하지 않으며, 주로 초신성 기여가 지배적임을 시사한다.
• 데이터는 이 초신성이 알려진 Ic형-BL 사건들 중 가장 밝은 편에 속하며, 절정 밝기에서 SN 2016jca와 유사하다고 제안한다.
• 관측된 광학적 방출은 후광 모델만으로는 설명될 수 없으며, 초신성의 성격을 확인하기 위해 다파장 데이터의 재분 析가 필수적이다.
• 광학적 보정 데이터 세트는 CSV 테이블 형식으로 제공되며, 모든 시점에서 보정되지 않은 AB 등급과 마이크로잔스키 단위의 값을 포함하여 향후 모델링과 비교를 가능하게 한다.

Figure 2: Upper Panel: the optical afterglow of GRB 221009A in the $rizy$ -filters. A decaying power-law has been fit to each filter independently using the measurements across all epochs which have been corrected for galactic dust extinction. The data points are in the observer frame with the instr