[论文解读] Late Afterglow Bump/Plateau around the Jet Break: Signature of a free-to-shocked wind Environment in Gamma-ray Burst

Xiaoyan Li, Da-Bin Lin+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 105被引用 6

一句话总结

本文提出，在伽马射线暴（GRBs）喷流 break 附近，光学与X射线余晖中出现的晚期同时性峰值或平台，源于外部前向冲击波（eFS）在从自由风过渡到受激风（均匀介质）的环境中传播所致。该模型解释了峰值前的长期缓降阶段以及随后的陡降阶段，理论光曲线与GRBs 120326A、120404A和100814A的观测结果一致，尤其当减速半径位于风边界附近或其外侧时，对非轴向观测者尤为显著。

ABSTRACT

A number of gamma-ray bursts (GRBs) exhibit the late simultaneous bumps in their optical and Xray afterglows around the jet break. Its origin is unclear. Based on the following two facts, we suggest that this feature may sound a transition of circum-burst environment from a free-wind medium to a homogeneous medium. (I) The late bump followed by a steep decay is strongly reminiscent of the afterglows of GRB 170817A, which is attributed to an off-axis observed external-forward shock (eFS) propagating in an interstellar medium. (II) Observations seem to feature a long shallow decay before the late optical bump, which is different from the afterglow of GRB 170817A. In this paper, we study the emission of an eFS propagating in a free-to-shocked wind for on/off-axis observers, where the mass density in the shocked-wind is almost constant. The late simultaneous bumps/plateaux in the optical and X-ray afterglows are really found around the jet break for high-viewing-angle observers. Moreover, there is a long plateau or shallow decay before the late bump in the theoretical light-curves, which is formed during the eFS propagating in the free-wind. For low-viewing-angle observers, the above bumps appear only in the situation that the structured jet has a low characteristic angle and the deceleration radius of the on-axis jet flow is at around or beyond the free-wind boundary. As examples, the X-ray and optical afterglows of GRBs 120326A, 120404A, and 100814A are fitted. We find that an off-axis observed eFS in a free-to-shocked wind can well explain the afterglows in these bursts.

研究动机与目标

• 解释在GRB喷流break附近出现的晚期同时性峰值/平台的起源，这一现象在标准外部冲击模型中尚未得到充分解释。
• 研究为何这些峰值之后会跟随陡降阶段，与之前缓降阶段形成对比。
• 确定从自由风向受激风介质的过渡是否能自然产生观测到的光变曲线特征，包括峰值前的长期缓降阶段。
• 通过理论光曲线对GRBs 120326A、120404A和100814A的观测余晖进行检验，涵盖轴向与非轴向观测者。
• 探讨观测角度、喷流结构以及减速半径在自由风至受激风环境中的余晖光变曲线形成中的作用。

提出的方法

• 本研究建模了外部前向冲击波（eFS）在从自由风过渡到受激风（均匀）介质的爆后环境中的辐射，受激区域质量密度恒定。
• 基于相对论冲击波物理，推导出解析光曲线，结合观测时间、红移及冲击参数，计算观测通量 fν(tobs)，并分别处理快冷却与慢冷却区域。
• 模型区分轴向与非轴向观测者，根据视线是否在喷流张角内，采用不同的通量表达式。
• 关键方程包括通量对频率与时间的依赖关系：fν ∝ t−αobs ν−β，针对不同频谱区段（ν < νc，νc < ν < νm，ν > νm）在快冷却与慢冷却条件下推导闭合关系。
• 通过有效洛伦兹因子与辐射角，考虑观测角度效应，使用 ¯R 与 ¯Γ 表示最接近视线的冲击壳层。
• 将理论光曲线与GRBs 120326A、120404A和100814A的多波段余晖数据进行比较，验证模型再现观测峰值、缓降与陡降阶段的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 从自由风向受激风介质的过渡是否能解释GRB余晖中喷流break附近的晚期同时性峰值/平台？
• RQ2 为何峰值前存在长期缓降阶段？其与GRB 170817A中观测到的行为有何不同？
• RQ3 观测角度（轴向与非轴向）在自由风至受激风环境中如何影响峰值外观与光变曲线形状？
• RQ4 喷流流体的减速半径在产生观测到的余晖特征中起什么作用，尤其当其位于风边界附近或其外侧时？
• RQ5 该模型能否再现类似GRBs 120326A、120404A和100814A中观测到的光学与X射线同时峰值后跟随陡降的光变曲线？

主要发现

• 当观测者为非轴向且减速半径位于或超出自由风边界时，该模型成功再现了GRBs 120326A、120404A和100814A的晚期同时性峰值/平台。
• 对非轴向观测者而言，峰值前出现长期平台或缓降阶段，这是eFS在自由风区传播过程中形成的，与观测光曲线一致。
• 峰值后的陡降阶段可自然解释为喷流break后余晖辐射，与标准外部冲击模型在break后的行为一致。
• 高观测角观测者的理论光曲线在喷流break附近表现出峰值/平台，并伴有前置缓降阶段，与GRB 120326A的观测趋势相符。
• 该模型将峰值解释为从自由风向受激风过渡的结果，此时冲击减速与能量注入导致在喷流break时刻发射增强。
• 模型推导的闭合关系（表2）表明，在自由风至受激风情景下，喷流break后阶段的时变指数α与谱指数β与观测到的陡降行为及谱特性相匹配。