[論文レビュー] Very High-energy Afterglow Emission of GRB 190829A: Evidence for Its Hadronic Origin?

Sarira Sahu, Isabel Abigail Valadez Polanco+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 36被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、GRB 190829Aの高エネルギーガンマ線降下放射が、前方衝撃領域における高エネルギー陽子と自己スリンクライン自己コンプトン（SSC）光子との光反応的相互作用に起因すると提案する。モデルは、2日連続での多テラエレクトロンボルトスペクトルをスペクトル指数δ ≈ 3.0で良好にフィットし、高エネルギーブラザールの低状態放射と整合的であり、VHE放射のハドロニック起源を支持する。

ABSTRACT

The detection of multi-TeV gamma-rays from the afterglow phase of GRB 190829A by High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) telescope is an addition to the already existing list of two more GRBs observed in the very high energy (VHE) gamma-rays in recent years. Jets of blazars and GRBs have many similarities and the photohadronic model is very successful in explaining the VHE gamma-ray spectra from the high energy blazars. Recently, the photohadronic model has been successfully applied to study the sub-TeV gamma-rays from the afterglow phases of GRB 180720B and GRB 190114C. We employed this model again to explain the VHE spectra observed for the two consecutive nights from GRB 190829A. We show that the spectra of GRB 190829A can be due to the interactions of high energy protons with the synchrotron self-Compton photons in the forward shock region of the GRB jet, similar to the low emission state of the VHE flaring events of high energy blazars. We speculate that, if in future, it is possible to observe the VHE gamma-ray spectra from nearby GRBs in their afterglow phases, then some of them could only be explained by employing two different spectral indices. If confirmed, such VHE spectra could be interpreted as a result of the interactions of the high energy protons with the photons, both from the synchrotron background and the synchrotron self-Compton background in the forward shock region.

研究の動機と目的

• GRB 190829Aの降下放射からのVHEガンマ線放射の起源を調査すること。これはこのエネルギー帯で観測された第3例目のGRBである。
• GRB 190114CおよびGRB 180720Bで成功した過去の光反応的モデルが、GRB 190829AのVHEスペクトルを説明できるかどうかを検証すること。
• 観測されたVHEスペクトルが、前方衝撃領域における高エネルギー陽子とSSC光子の相互作用を伴うハドロニックメカニズムを要するかどうかを特定すること。
• 今後の近接GRBのVHE観測において、二成分スペクトル行動（δ < 2.0およびδ ≈ 3.0）が、同期放射およびSSC光子場からの二重寄与を示す可能性を検討すること。

提案手法

• 光反応的モデルを適用し、高エネルギー陽子が種光子とpγ → Δ⁺ → π⁰ → 2γ反応を通じて相互作用する。
• モデルは、フェルミ加速による陽子加速を仮定し、前方衝撃領域における主要な種光子集団としてSSC光子場を用いる。
• 観測されたVHEスペクトルは、EBL吸収補正を施した破れたパワーロウにフィットされ、スペクトル指数δはH.E.S.S.データへのフィットによって制約される。
• 種光子エネルギーがSSC領域（O(MeV)）に位置するようにするため、バルクローレンツ因子Γを推定し、初夜ではΓ ≈ 11が得られる。
• 等方的同等エネルギーおよび放射束から陽子放射度と光子密度を導出し、2日目の夜にはLp ≈ 6.6 × 10⁴⁷ erg s⁻¹およびn′γ ≈ 10⁷ cm⁻³が得られる。
• モデルはパワーロウ＋EBLフィットと比較して優位であり、1 TeV未満で明確な差異を示し、Eγ ≳ 100 GeVで光反応的シナリオとより良好に一致する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光反応的モデルは、H.E.S.S.が観測したGRB 190829Aの多テラエレクトロンボルト降下放射を説明できるか？
• RQ2 観測されたVHEスペクトルは、レプトン的プロセスではなく、陽子とSSC光子の相互作用に起因するものと整合的か？
• RQ3 光反応的モデルが観測スペクトルを生成するための必要なバルクローレンツ因子（Γ）は何か？
• RQ4 GRB 190829Aで観測されたδ ≈ 3.0のスペクトル指数は、高エネルギーブラザールの低状態放射に類似した証拠と解釈できるか？
• RQ5 今後の近接GRBのVHE観測で、二重スペクトル的行動（δ < 2.0およびδ ≈ 3.0）が観測され、前方衝撃領域における同期放射およびSSC光子場からの陽子相互作用の同時寄与を示す可能性はあるか？

主な発見

• プロンプト放射から4.3～55.9時間後のGRB 190829AのVHEガンマ線スペクトルは、スペクトル指数δ = 3.0の光反応的モデルで良好にフィットされ、高エネルギーブラザールの低状態放射に類似した特徴を示す。
• 固有のVHEスペクトルはエネルギーに依存せず平坦で、0.18～1.4 TeV範囲の放射束はFγ = 3.0 × 10⁻¹² erg cm⁻² s⁻¹、放射度はLγ ≈ 4.4 × 10⁴³ erg s⁻¹である。
• バルクローレンツ因子Γは、種光子エネルギーをSSC領域（ϵγ ≈ 1 MeV）に置くために約11と推定され、観測スペクトル指数と整合的である。
• 2日目の夜における陽子放射度はLp ≈ 6.6 × 10⁴⁷ erg s⁻¹、光子密度はn′γ ≈ 10⁷ cm⁻³、光学的厚さはτpγ ≈ 5 × 10⁻⁴である。
• VHEバンドにおける等方的同等エネルギーは、2日目の夜にEiso_γ ≈ 7.5 × 10⁴⁷ ergであり、初夜の値の約22%である。
• モデルは、今後の近接GRBのVHE観測で、同期放射およびSSC光子場からの陽子相互作用を示す二重スペクトル成分（δ < 2.0およびδ ≈ 3.0）が観測される可能性を示唆している。