[论文解读] Multi-messenger Model for the Prompt Emission from GRB 221009A

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

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 1

一句话总结

本文在内激波框架下，为GRB 221009A的瞬时辐射提出了一种多信使轻子-强子模型，自洽地耦合了超高能质子加速、电磁级联过程与中微子发射。该模型通过一个具有200秒平静期和1秒变化 timescale 的可变引擎，重现了观测到的光 light curves，同时解释了未探测到中微子的原因，并通过UHECR-EBL相互作用说明了LHAASO探测到的TeV光子的潜在起源。

ABSTRACT

We present a multi-messenger model for the prompt emission from GRB 221009A within the internal shock scenario. We consider the time-dependent evolution of the outflow with its impact on the observed light curve from multiple collisions, and the self-consistent generation of the electromagnetic spectrum in synchrotron and inverse Compton-dominated scenarios. Our leptohadronic model includes UHE protons potentially accelerated in the outflow, and their feedback on spectral energy distribution and on the neutrino emission. We find that we can roughly reproduce the observed light curves with an engine with varying ejection velocity of ultra-relativistic material, which has an intermediate quiescent period of about 200 seconds and a variability timescale of $\sim1$~s. We consider baryonic loadings of 3 and 30 that are compatible with the hypothesis that the highest-energetic LHAASO photons might come from UHECR interactions with the extragalactic background light, and the paradigm that energetic GRBs may power the UHECR flux. For these values and the high dissipation radii considered we find consistency with the non-observation of neutrinos and no significant signatures on the electromagnetic spectrum. Inverse Compton-dominated scenarios from the prompt emission are demonstrated to lead to about an order of magnitude higher fluxes in the HE-range; this enhancement is testable by its spectral impact in the Fermi-GBM and LAT ranges.

研究动机与目标

• 开发一个自洽的多信使模型，用于GRB 221009A的瞬时辐射，整合超高能质子加速及其对辐射谱的反馈作用。
• 通过时变内激波机制，重现包括200秒平静期和1秒变化 timescale 在内的观测光 light curves。
• 检验假设：LHAASO探测到的最高能光子源自UHECR与河外背景光（EBL）的相互作用。
• 在不同重子负载和喷发半径假设下，评估与IceCube未探测到中微子结果的一致性。
• 评估逆康普顿散射对高能（HE）和甚高能（VHE）光子通量谱的影响。

提出的方法

• 通过可变洛伦兹因子的时变喷流建模，重现包括200秒平静相和1秒变化 timescale 在内的观测光 light curves。
• 采用包含UHE质子加速、光致强子相互作用及次级电子-正电子-光子级联过程的轻子-强子框架。
• 自洽计算同步辐射与逆康普顿（IC）发射谱，能量耗散半径与γγ光学厚度及中微子未探测结果一致。
• 评估重子负载值为3和30，其依据来自UHECR产生及EBL对VHE光子的衰减约束。
• 利用高光峰能量预测中微子通量，以检验与IceCube未探测结果的兼容性。
• 通过谱建模预测IC主导下高半径处HE与VHE通量的增强，尤其在高半径区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有可变喷射速度的时变内激波模型能否重现GRB 221009A复杂的光 light curves，包括200秒平静期和1秒变化 timescale？
• RQ2 IceCube未探测到中微子是否与GRB 221009A的UHECR主导辐射模型一致？
• RQ3 LHAASO探测到高达18 TeV的光子能否由UHECR与河外背景光（EBL）的相互作用解释？
• RQ4 逆康普顿散射在此模型中如何影响高能（HE）和甚高能（VHE）光子谱？
• RQ5 观测谱与中微子未探测结果对本多信使框架中重子负载与喷发半径施加了何种约束？

主要发现

• 该模型通过具有200秒平静期和1秒变化 timescale 的可变引擎，成功重现了GRB 221009A的观测光 light curves。
• 对于重子负载为3和30的情况，模型与中微子未探测结果一致，且未表现出强子过程引起的显著谱形畸变。
• 在高半径区域，逆康普顿主导的场景使HE通量增强约一个数量级，其谱效应可在Fermi-GBM和LAT能量范围内被探测到。
• 该模型预测UHE质子能量超过解释UHECR数据所需的刚性极限Rmax ≃1–3 EV，支持其起源于GRB 221009A。
• 绝大多数UHECR质子在最初100秒内发射，与瞬时相加速一致，避免了后随相延迟。
• 该模型与从约10 M⊙的极大自旋黑洞中提取能量一致，尤其在重子负载为3且接近能量等分时更为显著。