[论文解读] GRB 121027A: long-lasting, energetic X-ray flares and clues to radiation mechanism and progenitor star

Fang‐Kun Peng, Y. D. Hu+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究分析了GRB 121027A，这是一个具有异常高能且持续时间极长的X射线耀发的超长伽马射线暴，耀发持续时间长达10⁵秒。耀发释放的能量比瞬时伽马射线爆发高一个数量级，但仍遵循与瞬时发射相同的$L_{\rm iso}-E_{\rm p}$和$\Gamma-L_{\rm iso}$关系，表明其具有相同的同步辐射机制。高晚发能量输出暗示其前身星质量巨大且具有混合包层，与典型的沃尔夫-拉叶星不同。

ABSTRACT

GRB 121027A is un-usual with its extremely long-lasting, energetic X-ray flares. The total energy release in X-ray flares is about one order of magnitude higher than prompt gamma-rays, making it special from most long GRBs. We show that while the prompt gamma-ray emission satisfies the empirical E_{iso}-E_{p} relation of typical long GRBs, the X-ray flares, whose spectra can be fit with a cutoff-power-law model with well-constrained E_p, significantly deviate from such a relation. Nonetheless, a time-resolved spectral analysis of X-ray flares suggest that the X-ray emission is consistent with the L_{iso}-E_{p} relation of long GRBs. We constrain the minimum Lorentz factor of the X-ray flares to be ~14, which is consistent with the Gamma-L_{iso} relation. Our results imply that prompt gamma-ray emission and late X-ray flares share the similar radiation mechanism, but originate from the outflows with different Lorentz factors. We search for similar GRBs from the Swift GRB archives, and find that the z=6.29 GRB 050904 is a carbon copy of GRB 121027A. The long-lasting, energetic X-ray flares in these GRBs demand significant accretion at late times, which point towards a large-radius progenitor star.

研究动机与目标

• 研究GRB 121027A中异常持久的X射线耀发的起源及其辐射机制。
• 确定X射线耀发是否遵循与长伽马射线暴瞬时伽马射线发射相同的经验关系（如$L_{\rm iso}-E_{\rm p}$）。
• 根据晚发耀发的能量和时间行为推断前身星的特性。
• 在Swift档案中识别类似GRB，以评估GRB 121027A是否属于一类独特的超长伽马射线暴。

提出的方法

• 利用Swift/BAT和XRT数据对X射线耀发进行时间分辨的光谱分析，以测量$E_{\rm p}$和$L_{\rm iso}$。
• 将X射线耀发特性与瞬时发射中观测到的$L_{\rm iso}-E_{\rm p}$和$\Gamma-L_{\rm iso}$关系进行比较。
• 从$\Gamma-L_{\rm iso}$关系估算出流体的最小洛伦兹因子$\Gamma \sim 14$，以评估喷流动力学。
• 在星风介质中应用外部激波模型，推导出喷流半开角的下限$\theta_{\rm j} > 10.4^\circ$。
• 与Swift伽马射线暴档案进行交叉相关，以识别具有类似耀发光曲线的天体，特别是GRB 050904。
• 对晚发X射线光曲线衰减（$t^{-1.55}$）和谱指数（$\beta \sim 1.5$）进行建模，以评估其与标准余晖模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRB 121027A中持久的X射线耀发是否遵循与瞬时伽马射线发射相同的$L_{\rm iso}-E_{\rm p}$关系？
• RQ2 X射线耀发喷流的最小洛伦兹因子是多少，其与$\Gamma-L_{\rm iso}$关系的关系如何？
• RQ3 需要何种前身星特性才能驱动如此高能的晚发耀发？
• RQ4 GRB 121027A是否属于一类独特的超长伽马射线暴？其在Swift档案中是否存在其他类似爆发？
• RQ5 X射线光曲线中缺乏喷流截断现象以及$t^{-1.55}$的衰减行为，对周围介质和喷流结构有何启示？

主要发现

• GRB 121027A的X射线耀发总能量约为瞬时伽马射线发射能量的十倍，表明其在晚发阶段具有极高的能量输出。
• X射线耀发表现出与瞬时发射一致的$L_{\rm iso}-E_{\rm p}$关系，表明其具有相同的辐射机制，如同步辐射。
• X射线耀发喷流的最小洛伦兹因子被约束在$\sim 14$，与长伽马射线暴中观测到的$\Gamma-L_{\rm iso}$关系一致。
• 喷流半开角被约束为$\theta_{\rm j} > 10.4^\circ$，与外部激波模型及光学喷流截断测量结果一致。
• GRB 050904被识别为具有相似耀发光曲线的近似对应体，表明其可能具有相同的起源和前身星类型。
• 高晚发能量预算及余晖未占主导地位的特征，指向一个质量巨大、具有混合包层的前身星，可能为低金属丰度且快速旋转的恒星，而非典型的沃尔夫-拉叶星。