[论文解读] Gamma Ray Bursts in the HAWC Era

P. Mészáros, Katsuaki Asano+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 1

一句话总结

本文研究了伽马射线暴（GRBs）在高海拔水契伦科夫（HAWC）天文台背景下的作用，提出GRB喷流中的强子过程——尤其是低光度或‘隐藏’型GRBs——可解释冰立方（IceCube）探测到的弥散TeV-PeV中微子通量。研究表明，星形成星系中的超新星和超新星爆发，若质子扩散系数满足D ∝ε^{1/2}，可同时解释冰立方观测到的中微子能谱和费米（Fermi）的弥散伽马射线背景，且不违反观测约束。

ABSTRACT

Gamma-Ray Bursts are the most energetic explosions in the Universe, and are among the most promising for detecting multiple non-electromagnetic signals, including cosmic rays, high energy neutrinos and gravitational waves. The multi-GeV to TeV gamma-ray range of GRB could have significant contributions from hadronic interactions, mixed with more conventional leptonic contributions. This energy range is important for probing the source physics, including overall energetics, the shock parameters and the Lorentz factor. We discuss some of the latest observational and theoretical developments in the field.

研究动机与目标

• 评估GRBs作为冰立方观测到的弥散高能中微子通量来源的可行性。
• 研究GRB喷流中强子过程的作用，特别是低光度或电磁辐射微弱的‘隐藏’型GRBs。
• 利用如超新星和超新星等天体，将观测到的冰立方中微子通量与费米各向同性弥散伽马射线背景相协调。
• 评估HAWC天文台在探测GRB多信使信号（包括伽马射线、中微子和引力波）方面的潜力。

提出的方法

• 分析GRBs从多GeV到TeV能段的伽马射线发射，区分轻子过程与强子过程的贡献。
• 通过磁化激波中的费米加速机制，模拟相对论喷流中内部和外部激波的粒子加速与辐射过程。
• 评估GRB喷流中pp和pγ相互作用产生的中微子，特别关注低光度GRBs和超新星爆发。
• 采用D(ε) ∝ε^{1/2}的扩散模型，对宿主星系和星系团中质子的扩散进行建模，以计算中微子和伽马射线通量。
• 将理论通量预测与冰立方（中微子）和费米（伽马射线）的观测数据进行比较，使用能谱指数和归一化约束。
• 利用HAWC的全天巡天能力，预测100 GeV至TeV能段GRB伽马射线发射的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRB喷流中的强子过程，特别是低光度或‘隐藏’型GRBs，能否解释冰立方观测到的弥散TeV-PeV中微子通量？
• RQ2 星形成星系中的超新星和超新星在多大程度上能同时解释冰立方中微子通量与费米各向同性弥散伽马射线背景？
• RQ3 星系和星系团环境中质子的扩散系数（D ∝ε^{1/2}或ε^{1/3}）如何影响GRB相关源的预测中微子与伽马射线通量？
• RQ4 HAWC在探测GRB多信使信号（特别是100 GeV至TeV伽马射线波段）中扮演何种角色？
• RQ5 观测到的弥散中微子通量能谱指数（~−2.3至−2.5）能否与基于GRB的模型相容，而不违反费米伽马射线背景的约束？

主要发现

• TeV-PeV能段的弥散冰立方中微子通量与经典高光度GRBs（如Swift或Fermi探测到的）的贡献不一致，因为这些源会过度产生伽马射线。
• 低光度GRBs（LLGRBs）、阻滞喷流GRBs或非GRB型超新星是可观测中微子通量的可行候选体，因其可产生高能中微子而无强电磁对应体。
• 在宿主星系和星系团中采用D ∝ε^{1/2}的质子扩散模型，可使超新星和超新星产生与冰立方观测一致的中微子通量，同时与费米弥散伽马射线背景保持一致。
• 该模型成功再现了冰立方中微子能谱（斜率~−2.3至−2.5），且除一个点偏离约几倍标准差外，其余均在误差范围内符合数据。
• HAWC天文台预计将在探测GRB多信使信号方面发挥关键作用，特别是在100 GeV至TeV伽马射线波段，从而实现对强子辐射模型的交叉验证。
• 若使用合适的相对源种群比例与扩散参数，星形成星系与星暴星系中超新星与超新星的联合贡献可同时解释冰立方中微子通量与费米伽马射线背景。