[논문 리뷰] Temporal behaviour of emissions from Gamma-ray bursts and optical/near-IR afterglows of GRB 991208 and GRB 991216

R. Sagar, V. Mohan외 3명|arXiv (Cornell University)|2000. 03. 17.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 다중 파장 광도 측정을 통해 GRB 991208과 GRB 991216의 광학 및 근적외선 후광 광도 곡선과 스펙트럼 에너지 분포를 분석한다. GRB 991208은 급격한 복사율 감쇠(지수 ~2.2)와 평탄한 스펙트럼을 보이며 강한 비틀림 효과를 나타내는 반면, GRB 991216는 2–2.5일 사이에 R-대역 광도 곡선에서 설명되지 않는 0.23 디엑스의 급격한 감쇠를 보이며, 이는 가능성이 있는 제트 효과 또는 알려지지 않은 물리적 메커니즘을 시사한다. 두 붕괴는 천체적 거리에 있으며, 각각 약 10^53 에르그의 등방성 에너지를 방출한다.

ABSTRACT

The CCD magnitudes in Cousins R and I photometric passbands are determined for GRB 991216 and GRB 991208 afterglows respectively about 1 and about 3 day after trigger of the corresponding gamma-ray bursts. Light curves of the afterglow emissions are obtained by combining the published data with the present measurements in R and I passbands for GRB 991208 and in R, Gunn I and J passbands for GRB 991216. They indicate that the flux decay constants of a GRB are almost the same in each passband with values about 2.2 for GRB 991208 and about 1.2 for GRB 991216 indicating very fast optical flux decay in the case of former which may be due to beaming effect. However, cause of steepening by 0.23 +/- 0.06 dex in the R light curve of GRB 991216 afterglow between 2 to 2.5 day after the burst, is presently not understood. Redshift determinations indicate that both GRBs are at cosmological distance with a value of 4.2 Gpc for GRB 991208 and 6.2 Gpc for GRB 991216. The observed fluence above 20 keV indicates, if isotropic, release of energy about 1.3 x 10^{53} erg for GRB 991208 and about 6.7 x 10^{53} erg for GRB 991216 by these bright gamma-ray flashes. The enormous amount of released energy will be reduced, if the radiation is beamed which seems to be case for GRB 991208 afterglow.The quasi-simultaneous broad-band photometric spectral energy distributions of the afterglows are determined about 8.5 day and about 35 hour after the bursts of GRB 991208 and GRB 991216 respectively.The flux decreases exponentially with frequency. The value of spectral index in the optical-near IR region is -0.75 +/- 0.03 for GRB 991208 and -1.0 +/- 0.12 for GRB 991216.

연구 동기 및 목표

• 최신 및 기존 광도 측정 데이터를 활용하여 GRB 991208과 GRB 991216의 광학 및 근적외선 후광의 시간적 감쇠 행동을 조사한다.
• 방출 메커니즘의 성격을 평가하기 위해 근似的 동시 시점에서 후광의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 결정한다.
• 관측된 복사율 감쇠 및 스펙트럼 기울기 지수들이 표준 화염공 모델 예측, 특히 제트 비틀림 효과에 의해 설명 가능한지 평가한다.
• 적색편이 및 복사량 측정치를 기반으로 천체적 거리와 등방성 에너지 방출량을 평가한다.
• 특히 2–2.5일 사이에 발생한 GRB 991216의 R-대역 광도 곡선에서 관측된 이질적인 급격한 감쇠를 식별하고 분석한다.

제안 방법

• GRB 991208에 대해 붕괴 후 약 1일 후 R 및 I 대역에서 새로운 CCD 광도 측정을 확보하였으며, GRB 991216에 대해서는 약 3일 후 R, Gunn i, J 대역에서 측정을 수행하였다.
• 신규 측정치를 GCN 보고서 및 기타 관측소의 기존 데이터와 융합하여 다수의 광도 필터에서 완전한 광도 곡선을 구축하였다.
• 각 필터에서 복사율 감쇠 지수(α)를 유도하기 위해 광도 곡선에 등차수 감쇠 모델을 적합시켰다.
• 붕괴 후 약 8.5일(991208)과 약 35시간(991216)에 해당하는 근적 동시 광역 SED를 구성하여 스펙트럼 기울기(β)를 결정하였다.
• 적색편이 측정치(z = 2.0 for GRB 991208, z = 3.0 for GRB 991216)를 사용하여 표준 천체론에 따라 천체적 거리와 감마선 복사량으로부터 등방성 에너지 방출량을 추정하였다.
• 관측된 광도 곡선의 붕괴점과 스펙트럼 기울기들이 제트형 유동과 싱크로트론 복사 이론 모델과 일치하는지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 991208과 GRB 991216의 광학 및 근적외선 후광의 시간적 감쇠 행동은 다수의 광도 필터에서 어떻게 나타나는가?
• RQ2 GRB 991216의 R-대역 광도 곡선은 왜 붕괴 후 2–2.5일 사이에 설명되지 않는 0.23 ± 0.06 디엑스의 급격한 감쇠를 보이는가?
• RQ3 붕괴 후 약 35시간과 약 8.5일에 관측된 후광의 스펙트럼 에너지 분포는 싱크로트론 복사 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 복사율 감쇠 및 스펙트럼 기울기 지수는 제트 비틀림 또는 다른 물리적 메커니즘에 의해 화염공 모델에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ5 감마선 복사량과 적색편이를 기반으로 GRB 991208과 GRB 991216의 등방성 에너지 방출량과 천체적 거리는 각각 얼마인가?

주요 결과

• GRB 991208의 복사율 감쇠 지수는 R 및 I 대역에서 약 ~2.2로 나타나 매우 급격한 감쇠를 보이며, 강한 제트 비틀림 효과와 일치한다.
• GRB 991216의 복사율 감쇠 지수는 약 ~1.2로 나타나 감쇠가 덜 급격한 편이지만, 붕괴 후 2–2.5일 사이에 R-대역에서 설명되지 않는 0.23 ± 0.06 디엑스의 급격한 감쇠가 관측된다.
• 광학-근적외선 영역에서의 스펙트럼 기울기 지수는 GRB 991208의 경우 -0.75 ± 0.03, GRB 991216의 경우 -1.0 ± 0.12로 나타나 주파수에 따라 복사율이 지수적으로 감소함을 시사한다.
• GRB 991216의 후광은 약 1.2 μm 근처에 스펙트럼 붕괴가 존재할 가능성이 있으며, 이는 싱크로트론 스펙트럼의 전이를 시사한다.
• 적색편이 z = 2.0과 z = 3.0은 표준 천체론에 따라 각각 4.2 Gpc와 6.2 Gpc의 천체적 거리를 의미한다.
• 등방성 에너지 방출량은 GRB 991208의 경우 약 1.3 × 10^53 erg, GRB 991216의 경우 약 6.7 × 10^53 erg로 추정되나, 비틀림 효과로 인해 실제 값은 이보다 크게 감소할 것이다.