[论文解读] The Jet Opening Angle and Event Rate Distributions of Short Gamma-ray Bursts from Late-time X-ray Afterglows

Alicia Rouco Escorial, Wen‐fai Fong+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 6

一句话总结

本研究利用钱德拉和XMM-牛顿望远镜的数据，分析了29个短伽马射电暴（SGRBs）的晚期X射线余晖，以测量喷流张角并推断真实事件率。研究发现喷流张角的中位数约为6.1°，识别出约占样本28%的宽喷流群体（θⱼ ≳ 10°），并推导出束流校正后的事件率为360–1800 Gpc⁻³ yr⁻¹，与双中子星并合作为主要前身体通道的理论一致。

ABSTRACT

We present a comprehensive study of 29 short gamma-ray bursts (SGRBs) observed $\approx 0.8-60$ days post-burst using $Chandra$ and $XMM-Newton$. We provide the inferred distributions of SGRB jet opening angles and true event rates to compare against neutron star merger rates. We perform uniform analysis and modeling of their afterglows, obtaining 10 opening angle measurements and 19 lower limits. We report on two new opening angle measurements (SGRBs 050724A and 200411A) and eight updated values, obtaining a median value of $\langle θ_{ m j} angle \approx 6.1^{\circ}$ [-3.2$^{\circ}$,+9.3$^{\circ}$] (68\% confidence on the full distribution) from jet measurements alone. For the remaining events, we infer $θ_{ m j}\gtrsim 0.5-26^{\circ}$. We uncover a population of SGRBs with wider jets of $θ_{ m j} \gtrsim 10^{\circ}$ (including two measurements of $θ_{ m j} \gtrsim 15^{\circ}$), representing $\sim 28\%$ of our sample. Coupled with multi-wavelength afterglow information, we derive a total true energy of $\langle E_{ m true, tot} angle \approx 10^{49}-10^{50}$\,erg which is consistent with MHD jet launching mechanisms. Furthermore, we determine a range for the beaming-corrected event rate of $\mathfrak{R}_{ m true} \approx360-1800$ Gpc$^{-3}$ yr$^{-1}$, set by the inclusion of a population of wide jets on the low end, and the jet measurements alone on the high end. From a comparison with the latest merger rates, our results are consistent with the majority of SGRBs originating from binary neutron star mergers. However, our inferred rates are well above the latest neutron star-black hole merger rates, consistent with at most a small fraction of SGRBs originating from such mergers.

研究动机与目标

• 利用晚期X射线余晖数据，确定短伽马射电暴（SGRBs）喷流张角的分布。
• 通过结合喷流张角测量值与下限，推断SGRBs的真实（束流校正）事件率。
• 检验推断的SGRBs事件率是否与双中子星（BNS）和中子星-黑洞（NS–BH）系统理论并合率一致。
• 通过多波段余晖建模，评估SGRBs的能量输出与喷流特性。
• 通过在大规模、一致的SGRB样本上统一应用分析与建模，超越先前研究。

提出的方法

• 对X射线光 light curve 使用单幂律、双幂律和三重幂律模型进行统一拟合，以表征余晖衰减行为。
• 应用F检验选择每个SGRB的最佳拟合模型，通过比较具有不同自由参数数的嵌套模型之间的χ²值。
• 利用最佳拟合模型得到的X射线通量衰减指数和转折时间，通过相对论喷流减速与束流校正推断喷流张角（θⱼ）。
• 对未显示明显转折特征的源，假设喷流转折发生在观测时间范围之外，计算θⱼ的下限。
• 结合测量值与下限的θⱼ值，估算总真实能量（E_true,tot）与束流校正后事件率（ℛ_true）。
• 利用高分辨率钱德拉数据校正X射线光曲线中的背景污染源，提升通量精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于一个具有统计显著性的短伽马射电暴样本，其在晚期X射线余晖中喷流张角的分布如何？
• RQ2 短伽马射电暴的真实（束流校正）事件率是多少？与理论并合率相比如何？
• RQ3 宽喷流（θⱼ ≳ 10°）在SGRBs群体中所占比例有多大？这对前身体模型有何启示？
• RQ4 推断的SGRBs总能量是否与磁流体动力学（MHD）喷流激发机制一致？
• RQ5 观测到的SGRBs事件率是否与双中子星并合一致？还是中子星-黑洞并合可能占显著比例？

主要发现

• 测量到的SGRBs喷流张角中位数为⟨θⱼ⟩ ≈ 6.1°，全分布的68%置信区间为[−3.2°, +9.3°]。
• 识别出一个宽喷流群体（θⱼ ≳ 10°），占样本约28%，其中包括两个θⱼ ≳ 15°的事件。
• 推断的束流校正后事件率为ℛ_true ≈ 360–1800 Gpc⁻³ yr⁻¹，下限由宽喷流群体决定，上限由测量到的喷流张角决定。
• SGRBs的总真实能量为⟨E_true,tot⟩ ≈ 10⁴⁹–10⁵⁰ erg，与MHD喷流激发机制一致。
• 推断的SGRBs事件率与双中子星并合作为主要前身体通道一致，但显著高于最新的中子星-黑洞并合率，意味着仅一小部分SGRBs源自此类系统。
• 高分辨率钱德拉数据校正了此前未被考虑的GRB 130603B中的污染源，提升了长期余晖光曲线的通量精度。