[论文解读] Optical and Radio observations of the bright GRB010222 afterglow: evidence for rapid synchrotron cooling?

R. Sagar, C. S. Stalin+9 more|Bristol Research (University of Bristol)|Apr 15, 2001

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 12

一句话总结

本研究结合光学、射电和亚毫米波数据，对明亮伽马射线暴 GRB 010222 的余晖进行了多波段观测，以研究快速同步辐射冷却效应。研究发现，同步辐射冷却频率位于亚毫米波段，解释了在 350 GHz 处观测到的超量发射以及约 0.7 天的光曲线拐点，该结果与强冲击后磁场假设下约 2.0° 的喷流张角一致。

ABSTRACT

We report photometric observations of the optical afterglow of GRB010222 in V,R and I passbands carried out at UPSO, Naini Tal between 22-27 Feb 2001. We determine CCD Johnson BV and Cousins RI photometric magnitudes for 31 stars in the field of GRB010222 and use them to calibrate our measurements as well as other published BVRI photometric magnitudes of GRB010222 afterglow. We construct the light curve in V,R,I passbands and from a broken power-law fit determine the decay indices of 0.74+/-0.05 and 1.35+/-0.04 before and after the break at 0.7 days. Using reported X-ray flux measurements at 0.35 and 9.13 days after the burst we determine X-ray to opt/IR spectral index of 0.61+/-0.02 and 0.75+/-0.02 on these two days. We also report upper limits to the radio flux obtained from the RATAN-600 telescope and the GMRT, and millimeter-wave upper limits obtained from the Plateau de Bure Millimeter interferometer. We argue that the synchrotron cooling frequency is below the optical band for most of the observing period. We also estimate an initial jet opening angle of about 2.0n^(1/8) degrees, where n is the number density of the ambient medium.

研究动机与目标

• 利用 B、V、R 和 I 波段的多 epoch CCD 测光，确定 GRB 010222 的光学余晖光曲线和光谱演化。
• 通过分析从光学到 X 射线波段的流量衰减和光谱指数演化，评估快速同步辐射冷却的存在。
• 利用观测到的光曲线拐点和余晖衰减指数，约束喷流结构和周围介质密度。
• 通过同步辐射冷却效应解释亚毫米波超量发射，并确定冷却频率的位置。
• 对射电和毫米波发射设定上限，以检验同步辐射冷却模型。

提出的方法

• 使用安装在奈尼塔 104-cm 桑普尔南德望远镜上的 2048×2048 CCD 进行光学测光，观测时间覆盖 2001 年 2 月 22 日至 27 日。
• 通过观测兰道尔（Landolt, 1992）提供的标准星，对视场内 31 颗恒星的测光星等进行校准，从而实现对余晖流量的精确校准。
• 采用双幂律模型拟合余晖光曲线，确定早期（α₁ = 0.74 ± 0.05）和晚期（α₂ = 1.35 ± 0.04）的衰减指数。
• 基于同时段的多波段流量测量，推导出光谱指数，得到在 Δt = 0.35 天时为 α = 0.61 ± 0.02，在 Δt = 9.13 天时为 α = 0.75 ± 0.02。
• 利用 RATAN-600 和 GMRT 在 3.9 GHz 和 610 MHz 频率进行射电和毫米波观测，分别获得约 5 mJy 和约 1 mJy 的上限。
• 测量了 93 GHz 和 230 GHz 处的亚毫米波流量，发现 350 GHz 处存在瞬态超量发射（Δt = 0.23 天时为 4.2 ± 1.2 mJy），并在第 7.4 天后衰减。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的约 0.7 天的流量衰减拐点是否表明存在快速同步辐射冷却？
• RQ2 GRB 010222 的同步辐射冷却频率在电磁波谱中的位置是什么？
• RQ3 观测到的亚毫米波超量发射是否可由低于冷却 break 能量的冷却电子堆积解释？
• RQ4 从光曲线拐点和各向同性能量释放推断的喷流张角是多少？
• RQ5 射电和毫米波的上限如何约束电子能量分布和磁场强度？

主要发现

• 光学余晖光曲线在约 0.7 天处出现拐点，流量衰减指数为 0.74 ± 0.05（早期）和 1.35 ± 0.04（晚期），与快速冷却向慢速冷却转变一致。
• 光谱指数从 Δt = 0.35 天时的 0.61 ± 0.02 演化至 Δt = 9.13 天时的 0.75 ± 0.02，表明光谱硬化趋势，与冷却 break 演化一致。
• 同步辐射冷却频率 ν_c 位于亚毫米波段，解释了在 350 GHz 处观测到的超量发射，并在第 7.4 天后衰减。
• 在 ν ≈ 350 GHz 处（Δt = 0.23 天时为 4.2 ± 1.2 mJy）的亚毫米波超量发射可归因于低于冷却 break 能量的电子堆积，形成光谱峰。
• 射电和毫米波观测得到的上限分别为约 5 mJy（3.9 GHz）和约 1 mJy（610 MHz），在 93 GHz 和 230 GHz 处未检测到信号，且在第 7.4 天后无显著发射。
• 在假设各向同性能量释放为 8×10⁵³ erg 且横向膨胀速度与观测拐点时间一致的前提下，喷流张角估计为约 2.0°。