[논문 리뷰] Very High-energy Afterglow Emission of GRB 190829A: Evidence for Its Hadronic Origin?

Sarira Sahu, Isabel Abigail Valadez Polanco외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 10.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 36인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 GRB 190829A의 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 후광 방출이 전방 충격 영역 내 고에너지 양성자와 자기권 방출 자기복합(스킨너) 방출(스킨너) 광자 간의 광핵반응 상호작용에서 기인한다고 제안한다. 이 모델은 두 번째 날 밤에 관측된 다이테르바이트 스펙트럼을 δ ≈ 3.0의 스펙트럼 지수로 성공적으로 맞추며, 고에너지 블라자르의 저조도 상태 방출과 일치하고, VHE 방출의 핵반응 기원을 지지하는 Γ ≈ 11의 전체 러로프 팩터를 암시한다.

ABSTRACT

The detection of multi-TeV gamma-rays from the afterglow phase of GRB 190829A by High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) telescope is an addition to the already existing list of two more GRBs observed in the very high energy (VHE) gamma-rays in recent years. Jets of blazars and GRBs have many similarities and the photohadronic model is very successful in explaining the VHE gamma-ray spectra from the high energy blazars. Recently, the photohadronic model has been successfully applied to study the sub-TeV gamma-rays from the afterglow phases of GRB 180720B and GRB 190114C. We employed this model again to explain the VHE spectra observed for the two consecutive nights from GRB 190829A. We show that the spectra of GRB 190829A can be due to the interactions of high energy protons with the synchrotron self-Compton photons in the forward shock region of the GRB jet, similar to the low emission state of the VHE flaring events of high energy blazars. We speculate that, if in future, it is possible to observe the VHE gamma-ray spectra from nearby GRBs in their afterglow phases, then some of them could only be explained by employing two different spectral indices. If confirmed, such VHE spectra could be interpreted as a result of the interactions of the high energy protons with the photons, both from the synchrotron background and the synchrotron self-Compton background in the forward shock region.

연구 동기 및 목표

• GRB 190829A의 후광에서 관측된 VHE 감마선 방출 기원을 조사하기 위해, 이는 이 에너지 대역에서 세 번째로 관측된 GRB이다.
• 이전에 GRB 190114C 및 GRB 180720B에 성공적으로 적용된 광핵반응 모델이 GRB 190829A의 VHE 스펙트럼을 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 관측된 VHE 스펙트럼이 전방 충격 영역 내 고에너지 양성자와 SSC 광자 간의 상호작용을 포함하는 핵반응 메커니즘을 요구하는지 확인하기 위해.
• 향후 근접한 GRB의 VHE 관측에서 두 성분 스펙트럼 행동(δ < 2.0 및 δ ≈ 3.0)이 나타나는 것이 핵반응 기원의 잠재적 증거가 될 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 고에너지 양성자와 시드 광자 간의 상호작용을 고려하는 광핵반응 모델을 적용하며, 이 과정에서 pγ → Δ+ → π⁰ → 2γ 반응이 발생한다.
• 모델은 프ermi 과정을 통한 양성자 가속화를 가정하며, 전방 충격 영역 내 주요 시드 광자 집단으로 SSC 광자장을 사용한다.
• 관측된 VHE 스펙트럼은 EBL 흡수 보정을 포함한 끊어진 파wr 법으로 피팅되며, 스펙트럼 지수 δ는 H.E.S.S. 데이터에 대한 피팅을 통해 제약된다.
• 시드 광자 에너지가 SSC 영역(O(MeV))에 들어가도록 하기 위해 전체 러로프 팩터 Γ를 추정하며, 첫 번째 날에 Γ ≈ 11로 도출된다.
• 등방성 등가 에너지와 광자 플럭스에서 유도된 양성자 빛나는 에너지와 광자 밀도는 두 번째 날에 Lp ≈ 6.6 × 10⁴⁷ erg s⁻¹ 및 n′γ ≈ 10⁷ cm⁻³를 얻는다.
• 모델은 파워 레인지 + EBL 피팅과 비교했을 때 유리한 성능을 보이며, 1 테라전자볼트 이하에서의 특이한 행동을 보이고, Eγ ≳ 100 GeV 영역에서 광핵반응 시나리오와 더 나은 일치를 보인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광핵반응 모델은 H.E.S.S.가 관측한 GRB 190829A의 다이테르바이트 후광 방출을 설명할 수 있는가?
• RQ2 관측된 VHE 스펙트럼은 렙톤 과정이 아닌 양성자-SSC 광자 상호작용과 일치하는가?
• RQ3 광핵반응 모델이 관측된 스펙트럼을 생성하기 위해 필요한 전체 러로프 팩터(Γ)는 얼마인가?
• RQ4 GRB 190829A에서 관측된 δ ≈ 3.0의 스펙트럼 지수는 고에너지 블라자르의 저조도 상태 방출과 유사한 증거로 해석될 수 있는가?
• RQ5 향후 근접한 GRB의 VHE 관측에서 이중 스펙트럼 행동(δ < 2.0 및 δ ≈ 3.0)이 나타나면, 전방 충격 영역 내 시냅스 및 SSC 광자장에 동시에 작용하는 양성자 상호작용의 이중 기여를 나타낼 수 있는가?

주요 결과

• 프롬프트 방출 후 4.3~55.9시간 동안의 GRB 190829A의 VHE 감마선 스펙트럼은 스펙트럼 지수 δ = 3.0로 광핵반응 모델에 잘 맞으며, 고에너지 블라자르의 저조도 상태 방출과 유사함을 시사한다.
• 내재된 VHE 스펙트럼은 에너지에 독립적으로 평탄하며, 0.18–1.4 테라전자볼트 범위에서 플럭스 Fγ = 3.0 × 10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹, 빛나는 에너지 Lγ ≈ 4.4 × 10⁴³ erg s⁻¹이다.
• 시드 광자 에너지가 SSC 영역(ϵγ ≈ 1 MeV)에 들어가도록 하기 위해 전체 러로프 팩터 Γ는 약 11로 추정되며, 관측된 스펙트럼 지수와 일치한다.
• 두 번째 날에 양성자 빛나는 에너지는 Lp ≈ 6.6 × 10⁴⁷ erg s⁻¹로 추정되며, 광자 밀도는 n′γ ≈ 10⁷ cm⁻³, 광자 상호작용 광학 두께는 τpγ ≈ 5 × 10⁻⁴이다.
• 두 번째 날에 VHE 대역의 등방성 등가 에너지는 Eiso_γ ≈ 7.5 × 10⁴⁷ erg이며, 첫 번째 날의 약 22%이다.
• 모델은 향후 근접한 GRB의 VHE 관측에서 이중 스펙트럼 성분(δ < 2.0 및 δ ≈ 3.0)이 나타나며, 전방 충격 영역 내 시냅스 및 SSC 광자장에 동시에 작용하는 양성자 상호작용의 동시 기여를 나타낼 수 있음을 암시한다.