[论文解读] A Complete Survey of the Transient Radio Sky and Implications for Gamma-Ray Bursts, Supernovae, and other Relativistic Explosions

A. Gal‐Yam, E. O. Ofek+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用 62

一句话总结

本研究利用FIRST和NVSS射电星表对瞬变射电天空进行了全面调查，识别并跟进九个候选射电暂现源，以约束无伴伽马射线暴（GRB）余晖。研究未发现确凿的无伴GRB余晖，由此得出GRB束流因子的下限为 $ f_b^{-1} \geq 62 $，表明仅有少数核心坍缩超新星产生相对论喷流。

ABSTRACT

We had previously reported on a survey for radio transients, used to set an upper limit on the number of orphan gamma-ray burst (GRB) radio afterglows, and thus a lower limit on the typical GRB beaming factor. Here we report radio and optical follow-up observations of these possible transients, achieving the first full characterization of the transient radio sky. We find that only two source are likely to be real radio transients, an optically obscured radio supernova (SN) in the nearby galaxy NGC 4216, and a source not associated with a bright host galaxy, which is too radio luminous to be a GRB afterglow. We speculate that this may be a flare from a peculiar active galactic nucleus, or a burst from an unusual Galactic compact object. We place an upper limit of 65 radio transients above 6 mJy over the entire sky at the 95% confidence level. The implications are as follows. First, we derive a limit on the typical beaming of GRBs; we find f_b^{-1} >~ 60, ~5 times higher than our earlier results. Second, we impose an upper limit on the rate of events that eject >~ 10^{51} erg in unconfined relativistic ejecta, whether or not accompanied by detectable emission in wavebands other than the radio. Our estimated rate, <=1000/y/Gpc, is about two orders of magnitude smaller than the rate of core-collapse SNe (and type Ib/c events in particular), indicating that only a minority of such events eject significant amounts of relativistic material, which are required by fireball models of long-soft GRBs. Finally, we show that future wider and/or deeper radio variability surveys are expected to detect numerous orphan radio GRB afterglows. Our survey also illustrates the great potential of sensitive surveys with new instruments to revolutionize the study of nearby SNe (abridged).

研究动机与目标

• 利用多 epoch 射电巡天识别并表征天空中的瞬变射电源。
• 检验假设：根据束流模型预测，无伴射电余晖的伽马射线暴（GRB）可通过大视场射电巡天探测到。
• 约束GRB的束流因子以及宇宙中相对论性爆发的速率。
• 评估未来射电巡天（如SKA、ATA）探测隐藏超新星和无伴GRB余晖的潜力。
• 确定光学被遮蔽的超新星是否可通过射电变星巡天探测到。

提出的方法

• 通过交叉比对FIRST和NVSS射电巡天，利用1.4 GHz波段的流量变异性识别射电暂现源。
• 对所有九个候选暂现源进行后续射电和光学观测，以确认或排除其本质。
• 使用统计分析方法，得出在全天范围内高于6 mJy的暂现源95%置信上限为65个。
• 应用改进的GRB余晖光度与束流模型，结合更新的参数和Frail等（2001年）的相关性，推导出对 $ f_b^{-1} $ 的约束。
• 评估在尘埃或遮蔽环境中，核心坍缩超新星在射电波段的可探测性。
• 评估SKA和ATA等未来仪器在探测瞬变射电源方面的灵敏度与巡天能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 根据束流模型预测，天空中是否存在可探测到的无伴射电余晖伽马射线暴？
• RQ2 真正以 $ \gtrsim 10^{51} $ erg 能量在自由空间喷射相对论性物质的相对论性爆发（如GRB、喷流型超新星）的速率是多少？
• RQ3 大视场射电巡天能否探测到因尘埃消光而被光学巡天遗漏的光学被遮蔽超新星？
• RQ4 观测到的瞬变射电天空与GRB余晖及其他瞬变现象的理论预期相比如何？
• RQ5 未来射电巡天在探测无伴GRB余晖和隐藏超新星方面的前景如何？

主要发现

• 九个候选暂现源中，七个极不可能是真实的射电暂现源，表明在交叉比对大规模射电巡天时存在较高的误报率。
• 一个暂现源最可能是附近旋涡星系NGC 4216中被光学遮蔽的射电超新星，这是通过大视场射电巡天首次发现此类天体。
• 第二个暂现源在其光学宿主星系方向无宿主星系（R = 24.5 mag），且其亮度过高，无法解释为GRB余晖，表明其可能为罕见射电波段明亮的活动星系核（AGN）耀发或银河系内致密天体的耀发。
• 该巡天在全天范围内设定了高于6 mJy的暂现射电源95%置信上限为65个。
• 分析得出GRB束流因子的下限为 $ f_b^{-1} \geq 62 $，显著高于早期估计值，且其真实值很可能在该数值的一个数量级以内。
• 对喷射出 $ \gtrsim 10^{51} $ erg 能量的未约束相对论性喷流的相对论性爆发速率被限制为 $ \dot{n} \leq 1000 \, \text{yr}^{-1} \, \text{Gpc}^{-3} $，表明仅有少数核心坍缩超新星产生此类喷流。