[论文解读] Gamma-ray burst models in light of the GRB 170817A - GW170817 connection

P. Vereš, P. Mészáros+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 11被引用 15

一句话总结

本文利用伽马射线暴（GRB）170817A与GW170817的多信使独特数据，评估了伽马射线暴的发射模型，这是首次与双中子星并合相关的短伽马射线暴。研究发现，内激波模型最能解释观测到的峰值能量、总能量和喷流视向角，而外激波和喷流包层模型虽具合理性但拟合效果稍差，后者在光谱演化方面表现出轻微矛盾。

ABSTRACT

For the first time, a short gamma-ray burst (GRB) was unambiguously associated with a gravitational wave (GW) observation from a binary neutron star (NS) merger. This allows us to link the details of the central engine properties to GRB emission models. We find that photospheric models (both dissipative and non-dissipative variants) have difficulties accounting for the observations. Internal shocks give the most natural account of the observed peak energy, viewing angle and total energy. We also show that a simple external shock model can reproduce the observed GRB pulse with parameters consistent with those derived from the afterglow modeling. We find a simple cocoon shock breakout model is in mild tension with the observed spectral evolution, however it cannot be excluded based on gamma-ray data alone. Future joint observations of brighter GRBs will pose even tighter constraints on prompt emission models.

研究动机与目标

• 利用GRB 170817A与GW170817的多信使数据，检验当前主流的GRB瞬时发射模型——光球层、内激波、外激波及包层激波特发——的适用性。
• 基于伽马射线光 lightcurve 和光谱演化，约束喷流视向角、喷流特性及中心引擎活动持续时间。
• 评估观测到的瞬时发射是否可由相对论性喷流模型解释，或是否需依赖如包层特发等替代辐射机制。
• 评估不同模型与引力波与伽马射线爆发之间观测延迟的一致性。
• 为未来联合GW-GRB观测提供框架，以探测喷流启动时间与引擎活动持续时间。

提出的方法

• 假设喷发开始存在时间延迟，使用幂律模型拟合GRB 170817A的时间分辨光谱演化，描述峰值能量的变化。
• 应用内激波模型，利用观测到的峰值能量、亮度和时间展宽对参数进行约束。
• 通过拟合去卷积后的通量光曲线，并将推导出的动能与外部密度与余晖建模结果对比，测试外激波模型。
• 利用温度与亮度演化与速度指数s相关的解析标度关系，评估包层激波特发模型。
• 将观测到的光谱演化指数（kT ∝ (t−t₀)⁻¹，L ∝ kT）与包层模型中不同s值的理论预测进行比较。
• 结合GW与GRB数据，推断喷流启动时间与中心引擎活动持续时间的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 内激波模型能否在物理解释合理的参数范围内，重现GRB 170817A观测到的峰值能量、亮度与时间展宽？
• RQ2 光球层发射模型（非耗散与耗散型）在多大程度上能解释观测到的光谱与时间特性？
• RQ3 外激波模型能否在保持与余晖约束一致的动能与周围介质密度的前提下，解释瞬时发射光曲线？
• RQ4 包层激波特发模型在多大程度上能重现观测到的光谱演化，特别是峰值能量与亮度的时间演化？
• RQ5 从GW170817与GRB 170817A之间观测到的时间延迟中，可对喷流启动时间与中心引擎活动持续时间施加何种约束？

主要发现

• 内激波模型最自然地解释了观测到的峰值能量、总能量与视向角，其参数与双中子星并合的预期一致。
• 光球层模型不被支持，因其要求观测视角极接近喷流边缘，与GRB 170817A的非轴向观测特征相矛盾。
• 外激波模型对去卷积后的通量光曲线拟合合理，并预测外部介质密度与余晖建模结果一致，尽管使用了再激发的激波。
• 包层激波特发模型与观测存在轻微矛盾：观测到的光谱演化（kT ∝ (t−t₀)⁻¹）要求速度指数s ≳ 7，且需显著调整起始时间（t₀ ≈ T0 − 0.3 s）才能匹配数据。
• 内激波模型中时间分辨的光谱演化遵循约−1的幂律指数，与观测一致，且可推断喷流启动时间。
• 未来对更明亮爆发的联合GW-GRB观测将对瞬时发射模型施加更严格约束，并可直接测量中心引擎寿命与喷流启动时间。