[論文レビュー] H_2 Absorption and Fluorescence for Gamma Ray Bursts in Molecular Clouds

B. T. Draine|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、分子雲内におけるガンマ線バースト（GRBs）が、紫外線ポンピングによって振動励起されたH₂による、1650 Å未満の波長で強いH₂吸収を引き起こし、即時の閃光および後光に特徴的な分光的特徴をもたらすと提案している。この励起されたH₂からの蛍光発光は、数日から数か月にわたり持続し、超新星などの他の一時的光源とは異なる検出可能な分光的特徴を持つ信号を提供する。

ABSTRACT

If a gamma ray burst with strong UV emission occurs in a molecular cloud, there will be observable consequences resulting from excitation of the surrounding H2. The UV pulse from the GRB will pump H2 into vibrationally-excited levels which produce strong absorption at wavelengths < 1650 A. As a result, both the prompt flash and later afterglow will exhibit strong absorption shortward of 1650 A, with specific spectroscopic features. Such a cutoff in the emission from GRB 980329 may already have been observed by Fruchter et al.; if so, GRB 980329 was at redshift 3.0 < z < 4.4 . BVRI photometry of GRB 990510 could also be explained by H2 absorption if GRB 990510 is at redshift 1.6 < z < 2.3. The fluorescence accompanying the UV pumping of the H2 will result in UV emission from the GRB which can extend over days or months, depending on parameters of the ambient medium and beaming of the GRB flash. The 7.5-13.6 eV fluorescent luminosity is \sim 10^{41.7} erg/s for standard estimates of the parameters of the GRB and the ambient medium. Spectroscopy can distinguish this fluorescent emission from other possible sources of transient optical emission, such as a supernova.

研究の動機と目的

• 分子雲内でのGRBにおけるH₂吸収および蛍光の観測可能な特徴を調査すること。
• GRB 980329およびGRB 990510で観測された分光的特徴が、紫外線ポンピングによるH₂吸収によって説明可能かどうかを検証すること。
• GRB閃光に続く振動励起H₂からの蛍光発光の検出可能性および分光的特性を評価すること。
• 分光的特徴を用いて、超新星などの他の一時的発光メカニズムとH₂蛍光を区別すること。

提案手法

• GRBの紫外閃光によって分子雲内のH₂分子が励起される過程をモデル化し、BおよびC電子状態への遷移に注目する。
• GRBパルスからのエネルギー密度を用いて、基底電子状態（X 1Σg+）の振動励起準位（v ≥ 1）への光ポンピング率を計算する。
• 振動励起H₂による吸収スペクトルを推定し、λ ≲ 1650 Åで強い吸収が生じることを示す。
• 励起率および崩壊時間スケールを用いて、振動励起H₂からの自発的遷移による蛍光発光の全光度を計算する。
• GRB 980329およびGRB 990510の観測された光度および分光的データにモデルを適用し、H₂吸収特徴に基づいて赤方偏移を制約する。
• 推定された蛍光発光スペクトルおよび光度（式12）を用いて、異なる赤方偏移および観測者波長における検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 980329におけるRバンドとIバンドの間の明るさの低下は、紫外線ポンピングによって励起されたH₂による吸収によって説明可能か？
• RQ2 GRB 990510におけるVバンドとBバンドの間の明るさの低下は、分子環境下での紫外線ポンピングによるH₂吸収によって説明可能か？
• RQ3 GRBによって励起されたH₂からの蛍光紫外発光の予想される光度および時間スケールは何か？また、検出可能か？
• RQ4 分光的特徴を用いて、H₂蛍光を超新星などの他の一時的発光源からどのように区別できるか？
• RQ5 H₂蛍光をGRBから検出するのに最も適した赤方偏移範囲は何か？また、どのような観測条件が必要か？

主な発見

• 分子雲内のH₂は、GRBの紫外閃光によって振動励起されると、λ ≲ 1650 Åで強く吸収し、特徴的な吸収特徴を示す。
• GRB 980329におけるRバンドとIバンドの間の明るさの低下は、赤方偏移が3.0 ≲ z ≲ 4.4の場合にH₂吸収によって説明可能である。
• GRB 990510におけるVバンドとBバンドの間の明るさの低下は、赤方偏移が1.6 ≲ z ≲ 2.3の場合にH₂吸収によって説明可能である。
• GRBの紫外閃光によって励起されたH₂からの蛍光発光は、7.5–13.6 eV帯で約10^41.7 erg s⁻¹の光度を示し、数日から数か月にわたり持続する。
• 蛍光発光は超新星発光とは分光的に明確に異なるため、z ≈ 1.5–2.0で検出可能であり、4000 Åにおけるピーク輝度は約2.5×10⁻⁹ n₃ (R_H₂/10¹⁹ cm)² Jyに達する。
• GRB 980326における20–30日間の発光プラトーは、z ≈ 3.5の場合を除き、H₂蛍光によるものとは考えにくい。この赤方偏移では不自然に高いエネルギー出力が必要となり、超新星仮説の方がより妥当である。