[论文解读] Evidence of High-latitude Emission in the Prompt Phase of GRBs: How Far from the Central Engine are the GRBs Produced?

Z. Lucas Uhm, D. Tak+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 1

一句话总结

本文首次在伽马射线暴（GRBs）的瞬时相中提供了高纬度发射（HLE）的直接证据，表明HLE可在视线发射（LoSE）仍在进行时便出现并主导νFν谱。通过采用具有整体加速的相对论性球对称壳层的数值建模，作者发现HLE在宽脉冲的衰减阶段会在Fν谱中产生明显的谱 break，暗示中心引擎约10^16 cm处的发射半径——这与经典内部激波和光球层模型相矛盾，而支持ICMART模型。

ABSTRACT

One of the difficulties in nailing down the physical mechanism of gamma-ray bursts (GRBs) comes from the fact that there has been no clear observational evidence on how far from the central engine the prompt gamma rays of GRBs are emitted. Here we present a simple study addressing this question by making use of the “high-latitude emission” (HLE). We show that our detailed numerical modeling exhibits a clear signature of HLE in the decaying phase of “broad pulses” of GRBs. We show that the HLE can emerge as a prominent spectral break in F$_{ν}$ spectra and dominate the peak of νF$_{ν}$ spectra even while the “line-of-sight emission” (LoSE) is still ongoing. This finding provides a new view of HLE emergence since it has been believed so far that the HLE can show up and dominate the spectra only after the LoSE is turned off. We remark, however, that this “HLE break” can be hidden in some broad pulses, depending on the proximity between the peak energies of the LoSE and the HLE. Therefore, this new picture of HLE emergence explains both the detection and nondetection of HLE signature in observations of broad pulses. Also, we present three examples of Fermi Gamma-ray Burst Monitor GRBs with broad pulses that exhibit the HLE signature. We show that their gamma-ray-emitting region should be located at ∼10$^{16}$ cm from the central engine, which places a constraint on the GRB models.

研究动机与目标

• 在伽马射线暴（GRBs）的瞬时相中识别高纬度发射（HLE）的明确观测特征，此前人们认为HLE仅在视线发射（LoSE）停止后才会出现。
• 通过统一的物理模型解释宽脉冲中观测到和未观测到的HLE特征，以解决HLE探测长期存在的模糊性。
• 通过将观测到的HLE谱 break与发射壳层的物理参数关联，约束GRBs的发射半径。
• 利用HLE带来的新观测约束，检验竞争性GRB发射模型（尤其是内部激波和光球层模型）的有效性。

提出的方法

• 对具有整体加速的相对论性球对称壳层进行数值建模，其中电子各向同性地发射同步辐射。
• 利用时变的洛伦兹因子分布和能量依赖的光子发射，模拟视线发射（LoSE）和高纬度发射（HLE）的演化。
• 推导观测到的谱能量通量Fν和谱指数ˆβ，并分析νFν谱在时间上的演化，以识别HLE特征。
• 应用闭合关系ˆα = 2 + ˆβ，以验证宽脉冲衰减阶段HLE的行为。
• 将模型预测与Fermi-GBM对三颗具有宽脉冲且在衰减阶段表现出清晰HLE标度关系的GRBs的观测进行对比。
• 利用观测到的HLE断点时间，通过r ∼ 2cΓ²t_obs估算发射半径，其中Γ ≈ 300。

实验结果

研究问题

• RQ1 高纬度发射（HLE）是否可以在伽马射线暴（GRBs）的瞬时相中被探测到，而不仅在视线发射（LoSE）停止后？
• RQ2 何种物理条件使得HLE在LoSE仍活跃时便能产生Fν谱中的显著谱 break？
• RQ3 为何HLE特征在某些宽脉冲中被观测到而在其他脉冲中未被观测到？其差异的决定因素是什么？
• RQ4 基于宽脉冲衰减阶段观测到的HLE谱 break，GRBs的发射半径是多少？
• RQ5 观测到的HLE标度关系如何约束竞争性GRB发射模型，如内部激波和光球层发射模型？

主要发现

• HLE可在视线发射（LoSE）仍在进行时便作为Fν谱中的主导谱 break 出现，并主导νFν峰值，这挑战了此前认为HLE仅在LoSE关闭后才出现的假设。
• HLE断点演化为νHLE ∝ t⁻¹_obs，与相对论性球对称喷流中的曲率效应一致，并在衰减阶段产生闭合关系ˆα = 2 + ˆβ，其中ˆα ≈ 3.3且ˆβ ≈ 1.3。
• 三颗具有宽脉冲的Fermi-GBM GRBs表现出Ep与Fν,Ep之间的HLE标度关系，证实了模型在真实观测中的预测。
• 这些GRBs的发射半径被约束在约10^16 cm，对应典型洛伦兹因子Γ = 300，当Γ在100至1000之间变化时，发射半径范围为10^15至10^17 cm。
• 如此大的发射半径不利于经典内部激波和光球层发射模型（这些模型预测小得多的半径），而更支持具有碰撞诱导磁能耗散的ICMART模型。
• 该模型可同时解释宽脉冲中HLE的探测与未探测现象：当LoSE与HLE的峰值能量接近时，HLE断点被掩盖；而当两者分离时，断点则变得可观测。