[论文解读] Can an Off-axis Gamma-Ray Burst Jet in GW170817 Explain All the Electromagnetic Counterparts?

Kunihito Ioka, Takashi Nakamura|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 23被引用 16

一句话总结

本文研究了一个单一的非轴向伽马射线暴（GRB）喷流是否能解释GW170817中观测到的所有电磁对应体——短伽马射线暴170817A、蓝光超新星以及X射线/射电余晖。通过使用相对论性喷流模型，其各向同性能量约为10⁵¹–10⁵² erg，张角约为20°，观测角度约为30°，作者展示了所有波段中一致的辐射特征，表明喷流驱动的喷流壳层使喷射物加速至0.3–0.4c，且余晖衰减行为表明周围介质密度较低（约10⁻³–10⁻⁶ cm⁻³）。

ABSTRACT

Gravitational waves from a merger of two neutron stars (NSs) were discovered for the first time in GW170817, together with diverse electromagnetic (EM) counterparts. To make constraints on a relativistic jet from the NS merger, we calculate the EM signals in (1) the short gamma-ray burst sGRB 170817A from an off-axis jet, (2) the optical-infrared macronova (or kilonova), especially the blue macronova, from a jet-powered cocoon, and (3) the X-ray and radio afterglows from the interaction between the jet and interstellar medium. We find that a typical sGRB jet is consistent with these observations, and there is a parameter space to explain all the observations in a unified fashion with an isotropic energy $\sim 10^{51}$-$10^{52}$ erg, opening angle $\sim 20^{\circ}$, and viewing angle $\sim 30^{\circ}$. The off-axis emission is less de-beamed than the point-source case because the viewing angle is comparable to the opening angle. We also analytically show that the jet energy accelerates a fair fraction of the merger ejecta to a sub-relativistic velocity $\sim 0.3$-$0.4$c as a cocoon in a wide parameter range. The ambient density might be low $\sim 10^{-3}$-$10^{-6}$ cm$^{-3}$, which can be tested by future observations of radio flares and X-ray remnants.

研究动机与目标

• 确定单一非轴向GRB喷流是否能解释GW170817中观测到的所有电磁对应体。
• 约束能重现观测到的短伽马射线暴、超新星和余晖光曲线的喷流参数（如各向同性能量、张角和观测角度）。
• 评估喷流驱动的喷流壳层在加速亚相对论性喷射物并产生蓝光超新星辐射中的作用。
• 根据X射线和射电余晖的衰减行为推导出对星际介质密度的约束。

提出的方法

• 在共动参考系中使用具有分段幂律谱（类似Band谱）的相对论性喷流建模非轴向GRB辐射，谱指数为α_B = -1，β_B = -2.2，s = 1。
• 利用时间积分通量计算观测者视角下的各向同性能量，通过洛伦兹因子Γ和观测角度θ_v考虑相对论性束流化和多普勒增强效应。
• 基于喷流辐射区域的光行时延迟，结合喷流的角宽度Δθ和观测者位置，确定时间积分的起止时间T_start和T_end。
• 使用多普勒因子δ(θ_v) = 1/[Γ(1 - β cos θ_v)]及其在不同观测区域的修正形式˜δ(θ_v)，计算不同θ_v下的通量缩放。
• 应用解析缩放律，表明E_iso(θ_v)在θ_v < Δθ时为常数，Δθ < θ_v ≲ 2Δθ时∝ ˜δ(θ_v)²，θ_v ≳ 2Δθ时∝ δ(θ_v)³。
• 通过建模喷流-喷流壳层相互作用，估算喷流壳层的动能和速度，表明在广泛参数范围内，喷射物可被加速至0.3–0.4c的亚相对论速度。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的非轴向GRB喷流能否解释GW170817中观测到的短伽马射线暴sGRB 170817A、蓝光超新星以及X射线和射电余晖？
• RQ2 哪些喷流参数范围——特别是各向同性能量、张角和观测角度——能同时重现所有电磁对应体？
• RQ3 喷流如何通过喷流壳层将喷射物加速至亚相对论速度（0.3–0.4c），且该机制在广泛喷流和周围介质条件下是否一致？
• RQ4 能否根据观测到的X射线和射电余晖光曲线推导出对星际介质密度的约束？
• RQ5 观测角度如何影响观测到的各向同性能量，特别是在其与喷流张角相近时？

主要发现

• 典型的非轴向GRB喷流，其各向同性能量约为10⁵¹–10⁵² erg，张角约为20°，观测角度约为30°，可同时解释sGRB 170817A、蓝光超新星以及X射线和射电余晖。
• 由于观测角度（约30°）与喷流张角（约20°）相近，非轴向辐射的去束流效应弱于点源近似，从而增强了可探测性。
• 喷流通过喷流驱动的喷流壳层，能在广泛参数范围内高效地将大量并合喷射物加速至0.3–0.4c的亚相对论速度。
• 根据余晖衰减行为，周围星际介质密度被约束为较低水平，约10⁻³–10⁻⁶ cm⁻³，未来射电和X射线观测可进一步检验该结果。
• 各向同性能量E_iso(θ_v)的解析缩放显示不同区域：θ_v < Δθ时为常数，Δθ < θ_v ≲ 2Δθ时∝ ˜δ(θ_v)²，θ_v ≳ 2Δθ时∝ δ(θ_v)³，后者对非轴向观测者最为相关。
• 该模型预测超新星亮度主要源于喷流驱动的喷流壳层加热，而非仅来自r-过程衰变，表明其他能量源可能也对千新星辐射有贡献。