[論文レビュー] The Afterglow and Host Galaxy of the Energetic Short-Hard Gamma-Ray Burst 051221

A. M. Soderberg, E. Berger+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、短時間硬発光ガンマ爆発GRB051221の多波長観測を提示し、赤方偏移z=0.5459を測定し、同爆発の等方的エネルギー放出が約2.4×10^51 ergであることを明らかにした。ジェット断面の欠如と遅発エネルギー注入の証拠は、長期間にわたる中心天体の活動と、ビーム化補正後の運動エネルギー>1×10^50 ergを示唆し、標準モデルに挑戦するものであり、大規模星の崩壊ではなく、コンact対象合体起源を支持する。

ABSTRACT

We present detailed optical, X-ray and radio observations of the bright afterglow of the short GRB051221 and an optical spectrum from which we measure the redshift of the burst, z=0.5459. The isotropic-equivalent prompt energy release was about 2.4 x 10^51 erg, and using the standard afterglow synchrotron model we find that the blastwave kinetic energy is similar, E_{KE,iso}~1.4 x 10^51 erg. The lack of an observed jet break to t~13 days indicates that the opening angle is > 13 deg and the total beaming-corrected energy is > 1 x 10^50 erg, at least an order of magnitude larger than for previous short GRBs. We further show that the burst experienced an episode of energy injection by a factor of 3.4 between t=1.4 and 3.4 hours, which was accompanied by reverse shock emission in the radio band. This result provides continued evidence that the central engines of short GRBs may be active significantly longer than the duration of the burst and/or produce a wide range of Lorentz factors. Finally, we show that the host galaxy is actively forming stars at a rate of about 1.5 M_solar/yr, but at the same time exhibits evidence for an appreciable population of old stars (~1 Gyr) and near solar metallicity. These properties are intermediate between those of long GRB hosts and those of previous short bursts suggesting that the progenitor lifetimes may have a large spread. The lack of bright supernova emission and the low circumburst density (n~0.001 cm^-3), however, continue to support the idea that short bursts are not related to the death of massive stars and are instead consistent with a compact object merger. If the energy release of this burst is in fact few x 10^51 erg then this suggests that the neutrino annihilation mechanism may not be sufficient and MHD processes may be required to power the burst.

研究の動機と目的

• 多波長後発光データを用いて、短時間GRB051221の赤方偏移とエネルギー放出を特定すること。
• 後発光光曲線におけるジェット断面の有無を調査することで、ビーム化補正エネルギー放出を評価すること。
• 電波バンドにおける遅発エネルギー注入および逆シャワー発光の証拠を調査すること。
• 母銀河の星形成率、星族の年齢、金属量を特徴づけることで、前身系の性質を推定すること。
• 爆発のエネルギー放出が中性子星合体モデルか大規模星の崩壊モデルと整合するかを評価すること。

提案手法

• 後発光の減衰をモデル化し、ジェット構造を示す断面を特定するために、光学、X線、電波の光曲線を分析した。
• 標準的後発光シンクロトロンモデルを適用し、等方的運動エネルギーと爆風パラメータを導出した。
• エネルギー注入期における電波バンドでの逆シャワー発光を検出するために、スペクトルエネルギー分布（SED）分析を実施した。
• 母銀河の光学スペクトルを取得し、赤方偏移を測定し、星族の性質を推定した。
• スペクトルエネルギー分布フィッティングと線スペクトル診断を用いて、母銀河の星形成率と金属量を導出した。
• 標準的ISMまたは風状環境を仮定し、後発光の減衰傾きとスペクトル指数から、周囲爆発密度を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB051221の赤方偏移と等方的エネルギー放出は何か？他の短時間GRBと比較するとどうか？
• RQ2 後発光光曲線にジェット断面が認められないことは、広い開口角と、これまで観測されたものよりも高いビーム化補正エネルギーを示唆するか？
• RQ3 後発光光曲線に遅発エネルギー注入の証拠があるか？これは中心天体の活動に何を示唆するか？
• RQ4 母銀河の星形成率と星族の年齢は何か？長時間GRBおよび短時間GRBの母銀河と比較するとどうか？
• RQ5 観測されたエネルギー放出と低周囲爆発密度は、コンパクト対象合体起源か、大規模星の崩壊かと整合するか？

主な発見

• GRB051221の赤方偏移は、母銀河の光学スペクトルからz = 0.5459として測定された。
• 等方的同等の初期エネルギー放出は約2.4 × 10^51 ergであり、シンクロトロンモデルに基づく爆風運動エネルギーは約1.4 × 10^51 ergであった。
• t ~ 13日までのジェット断面の欠如は、開口角 > 13°であり、ビーム化補正運動エネルギー > 1 × 10^50 ergであることを示唆する。
• t = 1.4〜3.4時間の間にエネルギー注入が3.4倍発生し、電波バンドで検出可能な逆シャワー発光が伴った。
• 母銀河の星形成率は約1.5 M☉/yrであり、約10億年程度の星族が顕著に存在し、太陽に近い金属量を示した。
• 低周囲爆発密度（n ~ 0.001 cm⁻³）と超新星発光の欠如は、大規模星の崩壊ではなく、コンパクト対象合体起源を支持する。