[论文解读] A delayed 400 GeV photon from GRB 221009A and implication on the intergalactic magnetic field

Zi-Qing Xia, Yun Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 39被引用 5

一句话总结

该论文提出，费米-LAT在GRB 221009A触发0.4天后探测到的延迟400 GeV光子，是来自该爆发中初级约10 TeV光子引发的电磁级联过程的一部分，观测到的时间延迟表明其宇宙间磁场（IGMF）强度约为$ B_{\text{IGMF}} \sim 4 \times 10^{-17} \, \text{G} $。该值与TeV耀变体的约束一致，且将由未来的CTA观测进行检验。

ABSTRACT

Large High Altitude Air Shower Observatory has detected $0.2-13$ TeV emission of GRB 221009A within 2000 s since the trigger. Here we report the detection of a 400 GeV photon, without accompanying prominent low-energy emission, by Fermi Large Area Telescope in this direction with a 0.4 days' delay. Given an intergalactic magnetic field strength of about $4 imes 10^{-17}$ G, which is comparable to limits from TeV blazars, the delayed 400 GeV photon can be explained as the cascade emission of about 10 TeV gamma rays. We estimate the probabilities of the cascade emission that can result in one detectable photon beyond 100 GeV by Fermi Large Area Telescope within $0.3-1$ days is about 2$\%$ whereas it is about 20.5$\%$ within $0.3-250$ days. Our results show that Synchrotron Self-Compton explanation is less favored with probabilities lower by a factor of about $3-30$ than the cascade scenario.

研究动机与目标

• 利用一次高亮度、低红移伽马射线暴的延迟高能伽马射线辐射探测宇宙间磁场（IGMF）强度。
• 确定GRB 221009A余晖阶段观测到的400 GeV光子是否可由初级TeV光子引发的电磁级联过程解释。
• 利用次级级联光子的到达时间延迟约束IGMF强度，利用该爆发的高亮度和低红移（z = 0.151）特性。
• 评估该IGMF估计值与现有TeV耀变体观测限制的一致性，并预测未来CTA等仪器的可探测性。

提出的方法

• 分析费米-LAT Pass 8 R3数据在500 MeV至1 TeV能量范围内的数据，时间窗口为费米-GBM触发后1天内，聚焦于GRB 221009A的方向。
• 使用Elmag 3.03软件包模拟在IGMF存在下，由GRB 221009A初级约10 TeV光子引发的电磁级联过程。
• 建模级联过程：初级TeV光子被河外背景光吸收，产生超相对论性e±对，这些e±对通过逆康普顿散射将CMB光子上转换至GeV至TeV能量范围。
• 利用1 Mpc的相干尺度，计算由于IGMF对e±对的偏转导致的次级光子时间延迟。
• 将模拟的级联光度与费米-LAT观测结果进行比较，特别关注在触发后约33,554秒（0.3–1天窗口内）探测到的单个397.7 GeV光子。
• 在不同IGMF假设下，评估探测到此类光子的概率，采用幂律本征能谱并带有10 TeV处的指数截断，总通量约为10⁻⁴ TeV cm⁻²。

实验结果

研究问题

• RQ1 费米-LAT在GRB 221009A触发0.4天后探测到的延迟400 GeV光子，是否可由初级TeV光子引发的电磁级联过程解释？
• RQ2 为使GRB 221009A的次级级联光子产生约0.4天的时间延迟，需要多大的IGMF强度？
• RQ3 观测到的级联辐射与非级联辐射模型（如同步辐射-自康普顿辐射）相比如何？
• RQ4 推断出的IGMF强度约4×10⁻¹⁷ G是否与现有TeV耀变体观测的限制一致？
• RQ5 未来仪器如CTA能否通过长期观测明亮TeV源（如GRB 221009A）可靠地检验推断出的IGMF值？

主要发现

• 在费米-GBM触发后约33,554秒（0.3–1天）探测到的单个397.7 GeV光子，与标准余晖辐射模型（如同步辐射-自康普顿辐射）不一致。
• 400 GeV光子约0.4天的观测时间延迟，最合理的解释是初级约10 TeV光子引发的电磁级联过程，其延迟由IGMF对e±对的偏转引起。
• 为重现观测到的光子到达时间，需要IGMF强度为$ B_{\text{IGMF}} \sim 4 \times 10^{-17} \, \text{G} $，假设相干尺度为1 Mpc。
• 在该IGMF下，探测到单个>100 GeV光子的概率约为1%，表明该探测结果与偶然事件一致，但在更低或更高的IGMF值下则不太可能。
• IGMF低于10⁻¹⁷ G会增强高能级联辐射，但被费米-LAT数据中未探测到额外光子的结果所排除。
• IGMF高于10⁻¹⁶ G会抑制100 GeV以上能量的级联通量，与观测到的光子通量矛盾，因此更支持$ B_{\text{IGMF}} \sim 4 \times 10^{-17} \, \text{G} $。