[论文解读] A long optical plateau in the afterglow of the Extended Emission short GRB 150424A: Evidence for energy injection by a magnetar?

F. Knust, J. Greiner+15 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 66被引用 10

一句话总结

本研究对扩展发射型短伽马射电暴 GRB 150424A 进行了多波段观测，揭示了持续约 8 小时的长期光学平台期。数据强烈支持来自磁星中心引擎的能量注入，要求至少 4% 的效率将自转下降能量转化为辐射，为短伽马射电暴中磁星驱动的余晖提供了关键证据。

ABSTRACT

Short-duration GRBs with extended emission form a subclass of short GRBs, comprising about 15% of the short-duration sample. Afterglow detections of short GRBs are also rare (about 30%) due to their smaller luminosity. We present a multi-band data set of the short burst with extended emission GRB 150424A, comprising of GROND observations, complemented with data from Swift/UVOT, Swift/XRT, HST, Keck/LRIS and data points from the literature. The GRB 150424A afterglow shows an extended plateau phase, lasting about 8hrs. The analysis of this unique GRB afterglow might shed light on the understanding of afterglow plateau emission, the nature of which is still under debate. We present a phenomenological analysis by applying fireball closure relations, and interpret the findings in the context of the fireball model. We discuss the plausibility of a magnetar as a central engine, being responsible for additional and prolonged energy injection into the fireball. We find convincing evidence for energy injection into the afterglow of GRB 150424A. We find that a magnetar spin down as source for a prolonged energy injection requires that at least 4% of the spin-down energy is converted to radiation.

研究动机与目标

• 分析 GRB 150424A 的多波段余晖，该源为罕见具有光学平台期的扩展发射型短伽马射电暴。
• 确定平台期的物理起源，该现象对标准火球模型预测构成挑战。
• 检验磁星中心引擎是否能够解释余晖光 light curve 中观测到的长期能量注入。
• 约束磁星自转下降能量向可观测余晖辐射转化的效率。

提出的方法

• 应用火球模型闭合关系，解释光学、紫外和 X 射线波段余晖光 light curve 的时间演化与光谱演化。
• 利用 GROND、Swift/UVOT、Swift/XRT、HST、Keck/LRIS 及文献数据，构建高时间分辨率、多波段光 light curve。
• 评估三种物理情景：在 ISM 中的慢冷却、在星风中的慢冷却，以及在 ISM 中具有能量注入的均匀非扩散喷流。
• 通过拟合同步辐射光谱，确定转折频率（νm、νc），并评估光谱状态的一致性。
• 计算为匹配观测到的平台期所需的能量注入效率（η12），假设磁星自转下降为能量来源。
• 将模型预测与观测光 light curve 比较，以识别在所有波段和 timescale 上一致性最佳的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准火球模型情景能否解释 GRB 150424A 余晖中观测到的长期光学平台期？
• RQ2 是否需要能量注入来解释观测到的余晖光 light curve？如果是，何种物理机制可提供该能量？
• RQ3 数据是否支持磁星作为负责长期能量注入的中心引擎？
• RQ4 从磁星自转下降光度转化为余晖辐射所需的能量转换效率是多少？
• RQ5 早期喷流行为对喷流张角和束流修正能量输出有何启示？

主要发现

• GRB 150424A 的余晖表现出持续约 8 小时的长期光学平台期，这在短伽马射电暴中极为罕见。
• 不包含能量注入的标准火球模型——如在 ISM 或星风环境中的慢冷却——无法解释观测到的光 light curve 和光谱行为。
• 在 ISM 中具有恒定能量注入的均匀非扩散喷流，是所有观测波段中一致性最高的解释。
• 将磁星自转下降光度转化为余晖辐射所需的效率为 η12 ≥ 4%，表明存在一种高效的能量传递机制。
• 平台期持续约 10^4 秒，且能量注入量与爆发前的瞬时爆发发射量相当，相差不超过 2 倍。
• 喷流行为从观测开始之初（约 200 秒内）即已显现，暗示喷流张角极窄，且束流修正后的能量输出仅为磁星最大可能值的 1/20。