[论文解读] Multi-collision internal shock lepto-hadronic models for energetic GRBs

Annika Rudolph, Μαρία Πετροπούλου+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 2

一句话总结

本文提出多碰撞内部激波的轻子-强子模型，以解释高能伽马射线暴（GRBs）中超高能宇宙射线（UHECRs）的产生，结合了时间依赖的光子与中微子能谱。研究发现，约3–10的重子负载可驱动UHECRs而不扭曲费米-GBM能谱；在同步辐射主导的场景中，强子信号可表现为光学-紫外、软X射线及GeV–TeV波段的关联通量增强；而在逆康普顿主导的场景中，中微子未观测到的限制则约束了重子负载。

ABSTRACT

For a sub-population of energetic Gamma-Ray Bursts (GRBs), a moderate baryonic loading may suffice to power Ultra-High-Energy Cosmic Rays (UHECRs). Motivated by this, we study the radiative signatures of cosmic-ray protons in the prompt phase of energetic GRBs. Our framework is the internal shock model with multi-collision descriptions of the relativistic ejecta (with different emission regions along the jet), plus time-dependent calculations of photon and neutrino spectra. Our GRB prototypes are motivated by {\em Fermi}-LAT detected GRBs (including GRB~221009A) for which further, owing to the large energy flux, neutrino non-observation of single events may pose a strong limit on the baryonic loading. We study the feedback of protons on electromagnetic spectra in synchrotron- and inverse Compton-dominated scenarios to identify the multi-wavelength signatures, to constrain the maximally allowed baryonic loading, and to point out the differences between hadronic and inverse Compton signatures. We find that hadronic signatures appear as correlated flux increases in the optical-UV to soft X-ray and GeV to TeV gamma-ray ranges in the synchrotron scenarios, whereas they are difficult to identify in inverse Compton-dominated scenarios. We demonstrate that baryonic loadings around 10, which satisfy the UHECR energetic requirements, do not distort the predicted photon spectra in the {\em Fermi}-GBM range and are consistent with constraints from neutrino data if the collision radii are large enough (i.e., the time variability is not too short). It therefore seems plausible that under the condition of large dissipation radii a population of energetic GRBs can be the origin of the UHECRs.

研究动机与目标

• 研究高能GRBs是否可通过内部激波模型中的强子过程产生超高能宇宙射线（UHECRs）
• 确定GRB喷流爆发阶段中质子诱导相互作用的辐射特征，特别是多碰撞情景下的特征
• 基于费米-LAT探测的GRBs中高能中微子未观测结果，评估重子负载的约束，包括GRB 221009A
• 通过多波段光子与中微子特征，区分强子辐射与纯轻子辐射
• 评估碰撞半径在塑造轻子-强子模型中光谱特征与中微子通量中的作用

提出的方法

• 在喷流中沿多个碰撞区域建模内部激波过程，每个区域具有不同的洛伦兹因子与半径
• 使用时间依赖的辐射转移方法，计算光致强子相互作用产生的次级电子与正电子的同步辐射与逆康普顿辐射
• 在中微子能谱计算中自洽地包含电磁级联过程与π介子/μ子冷却效应
• 计算从光学-紫外到TeV伽马射线以及GeV–TeV中微子全能量范围的光子与中微子能谱
• 应用费米-GBM与费米-LAT观测结果，以及冰立方中微子未观测结果与堆叠限制
• 通过改变重子负载（ϵB/ϵe）与碰撞半径，评估其对光谱特征与可探测性的影响

实验结果

研究问题

• RQ1 在中等重子负载（约3–10）的多碰撞内部激波模型中，是否可产生UHECRs而不扭曲费米-GBM能量范围内的观测光谱？
• RQ2 在GRB爆发辐射中，何种多波段光子特征可将强子过程与纯轻子辐射区分开？
• RQ3 冰立方中微子未观测结果如何约束GRBs中的重子负载，特别是GRB 221009A这类爆发？
• RQ4 碰撞半径在轻子-强子模型中对预测中微子峰值能量与可探测性的影响有多大？
• RQ5 在同步辐射主导的GRBs中，光学-紫外、软X射线与GeV–TeV波段的通量增强是否可作为强子信号的明确指标？

主要发现

• 约3–10的重子负载与UHECR产生一致，且不会扭曲费米-GBM能量范围内预测的光子能谱
• 在同步辐射主导的场景中，强子相互作用产生一个相关联的宽带幂律成分，光谱指数为−2，表现为光学-紫外、软X射线与GeV–TeV伽马射线波段通量增加
• 在逆康普顿主导的场景中，轻子-强子模型与纯轻子模型的光子能谱无法区分，导致仅靠光子无法探测强子信号
• 冰立方未观测结果与堆叠分析表明，当碰撞半径足够大以避免短时变 timescales 时，重子负载被约束在约3–10的范围内
• 预测的中微子能谱峰值能量高于以往预期，使高能GRBs成为未来射电中微子探测器（如GRAND）的有希望目标
• 中微子能谱的峰值能量对碰撞半径敏感：较小的半径（更短的时变）因π介子与μ子冷却而降低峰值能量，从而提高当前观测设备的可探测性