[论文解读] H_2 Absorption and Fluorescence for Gamma Ray Bursts in Molecular Clouds

B. T. Draine|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 25

一句话总结

该论文提出，伽马射线暴（GRBs）在分子云中发生时，由于紫外泵浦导致振动激发的H₂产生1650 Å以短波方向的强H₂吸收，从而在瞬时闪光和余晖中留下独特的光谱特征。这种激发H₂的荧光发射可持续数天至数月，提供一种可探测的、与超新星等其他暂现源光谱不同的信号。

ABSTRACT

If a gamma ray burst with strong UV emission occurs in a molecular cloud, there will be observable consequences resulting from excitation of the surrounding H2. The UV pulse from the GRB will pump H2 into vibrationally-excited levels which produce strong absorption at wavelengths < 1650 A. As a result, both the prompt flash and later afterglow will exhibit strong absorption shortward of 1650 A, with specific spectroscopic features. Such a cutoff in the emission from GRB 980329 may already have been observed by Fruchter et al.; if so, GRB 980329 was at redshift 3.0 < z < 4.4 . BVRI photometry of GRB 990510 could also be explained by H2 absorption if GRB 990510 is at redshift 1.6 < z < 2.3. The fluorescence accompanying the UV pumping of the H2 will result in UV emission from the GRB which can extend over days or months, depending on parameters of the ambient medium and beaming of the GRB flash. The 7.5-13.6 eV fluorescent luminosity is \sim 10^{41.7} erg/s for standard estimates of the parameters of the GRB and the ambient medium. Spectroscopy can distinguish this fluorescent emission from other possible sources of transient optical emission, such as a supernova.

研究动机与目标

• 研究发生在分子云中的GRB所产生的H₂吸收与荧光的可观测特征。
• 确定GRB 980329和GRB 990510中观测到的光谱特征是否可由紫外泵浦引起的H₂吸收来解释。
• 评估GRB闪光后振动激发H₂产生的荧光发射的可观测性及其光谱特性。
• 利用光谱特征将H₂荧光与超新星等其他暂现发射机制区分开来。

提出的方法

• 模拟GRB的紫外闪光对分子云中H₂分子的光激发，重点关注跃迁至B和C电子态的过程。
• 利用GRB脉冲的能量密度，计算向基电子态（X 1Σg+）振动激发态（v ≥ 1）的光泵浦速率。
• 估算由于振动激发H₂导致的GRB辐射吸收光谱，其在λ ≲ 1650 Å处具有强吸收。
• 利用激发速率和衰变时间尺度，计算振动激发H₂自发衰变产生的荧光发射光度。
• 将该模型应用于GRB 980329和GRB 990510的观测光度和光谱数据，基于H₂吸收特征约束红移。
• 利用估算的荧光发射光谱和光度（公式12），评估在不同红移及不同观测波长下的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRB 980329在R与I波段之间的流量下降是否可由紫外泵浦激发的H₂振动激发态引起的H₂吸收来解释？
• RQ2 GRB 990510在V与B波段之间的流量下降是否可归因于分子环境中紫外泵浦导致的H₂吸收？
• RQ3 GRB紫外闪光激发的H₂荧光发射的预期光度和时标是多少？是否可探测？
• RQ4 如何通过光谱特征将H₂荧光与超新星等其他暂现发射源区分开来？
• RQ5 在哪个红移范围内最有利于探测GRB的H₂荧光？需要哪些观测条件？

主要发现

• 当GRB的紫外闪光激发分子云中的H₂分子至振动激发态时，可在λ ≲ 1650 Å处产生强吸收，形成特征性吸收谱。
• 若爆发发生于红移3.0 ≲ z ≲ 4.4，GRB 980329在R与I波段之间的流量下降与H₂吸收一致。
• 若红移为1.6 ≲ z ≲ 2.3，GRB 990510在V与B波段之间的流量下降可由H₂吸收解释。
• GRB紫外闪光激发的H₂荧光发射可在7.5–13.6 eV波段产生约10^41.7 erg s⁻¹的光度，持续数天至数月。
• 该荧光发射在光谱上与超新星发射明显不同，可在z ≈ 1.5–2.0处探测到，峰值流量约为2.5×10⁻⁹ n₃ (R_H₂/10¹⁹ cm)² Jy（在4000 Å处）。
• 对于GRB 980326，观测到的20–30天发射平台不太可能是H₂荧光所致，除非z ≈ 3.5，但这需要不切实际的高能量输出，因此超新星假说更具合理性。