[论文解读] Modeling observations of GRB 180720B: From radio to GeV gamma-rays

N. Fraija, A. Montalvo+7 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 2

一句话总结

本研究利用均匀介质中的外激波模型，对GRB 180720B从射电波段到GeV伽马射线波段的多波长观测进行建模。结果表明，超出同步辐射极限的LAT光子最可能由同步辐射自康普顿（SSC）前激波过程解释，该过程预测在GeV–TeV能量段存在可探测的甚高能辐射。

ABSTRACT

Early and late multiwavelength observations play an important role in determining the nature of the progenitor, circumburst medium, physical processes and emitting regions associated to the spectral and temporal features of bursts. GRB 180720B is a long and powerful burst detected by a large number of observatories in multiwavelenths that range from radio bands to GeV gamma-rays. The simultaneous multiwavelength observations were presented over multiple periods of time beginning just after the trigger time and extending for more than 30 days. The temporal and spectral analysis of Fermi LAT observations suggest that it presents similar characteristics to other bursts detected by this instrument. Coupled with X-ray and optical observations, the standard external-shock model in a homogeneous medium is favored by this analysis. The X-ray flare is consistent with the synchrotron self-Compton (SSC) model from the reverse-shock region evolving in a thin shell and long-lived LAT, X-ray and optical data with the standard synchrotron forward-shock model. The best-fit parameters derived with the Markov chain Monte Carlo simulations indicate that the outflow is endowed with magnetic fields, the radio observations are in the self-absorption regime and the LAT photons beyond the synchrotron limit have to be explained with a different radiative process. We propose that the most natural process to interpret these photons is through the SSC forward-shock model and then predict the very-high-energy flux to be detected by GeV - TeV observatories.

研究动机与目标

• 理解GRB 180720B从射电波段到GeV伽马射线波段的多波长辐射背后的物理机制。
• 通过光谱和时间分析，确定前身天体和周围介质的性质。
• 检验X射线耀发和长寿命辐射与反激波和前激波模型的一致性。
• 识别导致超出同步辐射极限的GeV光子的辐射过程。
• 利用SSC前激波模型预测可由GeV–TeV观测设备探测到的甚高能通量。

提出的方法

• 对触发后30余天内Fermi LAT、X射线和光学观测数据进行同步的时间和光谱分析。
• 应用标准的外激波模型于均匀介质中，以解释前激波辐射。
• 利用同步辐射自康普顿（SSC）模型，通过薄壳中的反激波演化解释X射线耀发。
• 采用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）模拟，推导喷流和磁场的最佳拟合参数。
• 通过射电观测中的自吸收区段评估，以约束辐射几何结构和电子分布。
• 将SSC模型扩展至前激波区域，以解释超出同步辐射极限的高能光子。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种物理过程可解释GRB 180720B中超出同步辐射极限的GeV伽马射线辐射？
• RQ2 GRB 180720B中的X射线耀发如何与反激波区域及其演化相关联？
• RQ3 标准的均匀介质中外激波模型是否与多波长光曲线一致？
• RQ4 磁场在喷流中的作用是什么？它们如何影响观测到的辐射？
• RQ5 前激波SSC过程预测的甚高能通量是多少？该通量是否可被当前和未来的GeV–TeV观测设备探测到？

主要发现

• 标准的均匀介质中外激波模型最能解释GRB 180720B的长寿命X射线、光学和LAT光曲线。
• X射线耀发与来自反激波区域、在薄壳中演化的同步辐射自康普顿（SSC）过程一致。
• 射电观测表明辐射处于自吸收区段，从而约束了电子分布和源大小。
• 基于MCMC拟合参数，推断喷流中存在磁场。
• 超出同步辐射极限的LAT光子最可能由SSC前激波模型解释，而非仅由同步辐射产生。
• SSC前激波模型预测在GeV–TeV能量段存在可探测的甚高能通量，当前和未来的观测设备可实现探测。