[論文レビュー] Strong NIR emission following the long duration GRB 211211A: Dust heating as an alternative to a kilonova

Eli Waxman, E. O. Ofek+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、GRB 211211Aの長期間にわたる近赤外 (NIR) 発光が、標準的後光または超新星発光の予想を上回る異常に強く長期間にわたる発光であるため、キロノーバーではなく、GRBが周囲星間物質と相互作用する過程で発生する紫外線およびソフトX線放射によって加熱されたダストからの熱放射によるものであると提案する。このダスト加熱メカニズムは、Waxman & Draine (2000) が予測したものであり、観測された $f_{\nu,K}/f_{\nu,i} \approx 30$ の放射率比と、$\sim 10$ 日間にわたる $L_{\rm NIR} \approx 10^{41}$ erg s$^{-1}$ の放射率を説明でき、赤方偏移 $z \lesssim 1$ の宿主銀河と $\tau_V \approx 0.2-2$ のダスト光学厚さと整合的である。

ABSTRACT

The prolonged near infrared (NIR) emission observed following the long duration GRB 211211A is inconsistent with afterglow emission from the shock driven into the circum-stellar medium (CSM), and with emission from a possible underlying supernova. It has therefore been suggested that the observed NIR flux is the signature of a kilonova -- a radioactive ejecta that is similar to the outcome of the binary neutron star merger GW170817. We propose here an alternative plausible explanation. We show that the NIR flux is consistent with thermal emission from dust, heated by UV and soft X-ray radiation produced by the interaction of the GRB jet plasma with the CSM. This NIR emission was predicted by Waxman & Draine for GRBs residing near or withing massive molecular clouds. The dust NIR emission scenario is consistent with a GRB at $z\lesssim1$. Inspection of the environment of GRB 211211A suggests that there are at least two host-galaxy candidates, one at $z=0.076$ and the other at $z=0.459$. The $z=0.459$ possibility is also consistent with the non-detection of a supernova signature in the light curve of the GRB afterglow, and with a typical GRB $γ$-ray energy for the fluence of GRB 211211A.

研究の動機と目的

• GRB 211211Aの後に観測された異常に強く長期間にわたる近赤外 (NIR) 発光を説明すること。これは、標準的後光や超新星発光の予想を上回る。
• キロノーバー解釈を挑戦し、観測された放射率比と持続時間と整合的な代替メカニズムを提示すること。
• GRBが周囲星間物質 (CSM) と相互作用する過程で発生する紫外線およびソフトX線放射によって加熱されたダストからの熱放射が、観測されたNIR発光を説明できるかどうかを検証すること。
• 観測的制約に基づき、GRB 211211Aの赤方偏移および宿主銀河の性質をダスト加熱モデルから制約すること。

提案手法

• Waxman & Draine (2000) が提唱したダスト加熱モデルを適応し、GRBの前進波および逆方向波の紫外線/X線放射が、質量の大きな分子雲内のダストを加熱できると予測する。
• ダストの再放射による予想されるNIR放射率を計算し、ダスト光学厚さ $\tau_V \approx 0.2-2$ および典型的なGRBエネルギー分配を仮定する。
• 予測されたNIR放射率および光曲線を、$t \approx 5$ 日における $K$ バンドで観測された $f_{\nu} \approx 2\,\mu$Jy および $f_{\nu,K}/f_{\nu,i} \approx 30$ と比較する。
• 超新星の痕跡が検出されないことと、測定されたX線後光の放射率と、モデルの整合性を評価する。
• 二つの可能な宿主銀河の赤方偏移 $z = 0.076$ および $z = 0.459$ を検討し、ダスト加熱シナリオと観測的制約とを照らし合わせて、より整合的なものを評価する。
• 約1 keVの光子のイオン化および吸収断面積を用いて、それらがダスト加熱に果たす役割を評価し、ガス相のイオン化遮蔽のため、非イオン化光子に比べて効果が低いことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 211211Aの長期間NIR発光は、キロノーバーではなく、ダスト加熱によって説明可能か？
• RQ2 観測された $f_{\nu,K}/f_{\nu,i} \approx 30$ の放射率比と $L_{\rm NIR} \approx 10^{41}$ erg s$^{-1}$ の放射率を再現するためには、どの程度のダスト光学厚さと雲パラメータが必要か？
• RQ3 Waxman & Draine (2000) が提唱したダスト加熱モデルは、特に $z \lesssim 1$ の宿主銀河に対して、観測されたNIR発光と整合的か？
• RQ4 光学〜NIRの光曲線および超新星の非検出が、宿主銀河の赤方偏移および放射率にどのような制約を課すか？
• RQ5 約1 keVの光子はダスト加熱にどの程度効果的か？非イオン化光子に比べて支配的か？

主な発見

• 観測されたNIR放射率 $f_{\nu} \approx 2\,\mu$Jy（$K$ バンド）および $\sim 10$ 日間にわたる $L_{\rm NIR} \approx 10^{41}$ erg s$^{-1}$ は、GRBが周囲星間物質と相互作用する過程で発生する紫外線およびソフトX線放射によって加熱されたダストからの熱放射と整合的である。
• $t \approx 5$ 日における $f_{\nu,K}/f_{\nu,i} \approx 30$ の放射率比は、キロノーバー・モデルとは整合せず、GW170817で観測された約7の比と比べて著しく高い。このため、キロノーバー解釈は不自然である。
• ダスト加熱モデルは $\tau_V \approx 0.2-2$ の場合に強いNIR発光を予測し、観測された放射率と持続時間と一致する。また、$z \lesssim 1$ の宿主銀河とも整合的である。
• $z = 0.459$ の宿主銀河解は、超新星の非検出、典型的なGRB $\gamma$-線エネルギー、および観測された後光の放射率と整合的である。
• モデルは、金属がガス相でイオン化されることにより、ダスト加熱が抑制されることを示唆し、約1 keVの光子は非イオン化光子に比べてダスト加熱に弱い寄与しかしない。このため、非イオン化光子が主な加熱源である。
• モデルは、$z \approx 0.5$ に位置する明るさ $\lesssim 0.01L_\star$ の明るさの弱い矮星銀河を示唆しており、ハッブル宇宙望遠鏡およびジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で検出可能である可能性がある。