[论文解读] Strong NIR emission following the long duration GRB 211211A: Dust heating as an alternative to a kilonova

Eli Waxman, E. O. Ofek+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 7

一句话总结

该论文提出，GRB 211211A 的持续近红外（NIR）辐射是由于伽马射线暴与周围介质相互作用时，由紫外和软X射线辐射加热尘埃所产生的热辐射，而非千新星。这一尘埃加热机制由Waxman & Draine（2000）预测，能够解释观测到的 $f_{\nu,K}/f_{\nu,i} \approx 30$ 辐射通量比和 $L_{\rm NIR} \approx 10^{41}$ erg s$^{-1}$ 的近红外 luminosity，持续约10天，与 $z \lesssim 1$ 的宿主星系及 $\tau_V \approx 0.2-2$ 的尘埃光学厚度一致。

ABSTRACT

The prolonged near infrared (NIR) emission observed following the long duration GRB 211211A is inconsistent with afterglow emission from the shock driven into the circum-stellar medium (CSM), and with emission from a possible underlying supernova. It has therefore been suggested that the observed NIR flux is the signature of a kilonova -- a radioactive ejecta that is similar to the outcome of the binary neutron star merger GW170817. We propose here an alternative plausible explanation. We show that the NIR flux is consistent with thermal emission from dust, heated by UV and soft X-ray radiation produced by the interaction of the GRB jet plasma with the CSM. This NIR emission was predicted by Waxman & Draine for GRBs residing near or withing massive molecular clouds. The dust NIR emission scenario is consistent with a GRB at $z\lesssim1$. Inspection of the environment of GRB 211211A suggests that there are at least two host-galaxy candidates, one at $z=0.076$ and the other at $z=0.459$. The $z=0.459$ possibility is also consistent with the non-detection of a supernova signature in the light curve of the GRB afterglow, and with a typical GRB $γ$-ray energy for the fluence of GRB 211211A.

研究动机与目标

• 解释GRB 211211A之后观测到的异常强烈且持续时间长的近红外（NIR）辐射，其通量远超标准余晖或超新星辐射的预期值。
• 通过提出一种与观测通量比和持续时间一致的替代机制，挑战当前主流的千新星解释。
• 检验观测到的近红外辐射是否可由伽马射线暴与周围介质（CSM）相互作用所产生的紫外和软X射线辐射加热尘埃所导致的热辐射来解释。
• 基于尘埃加热模型和观测约束，对GRB 211211A的红移和宿主星系特性进行约束。

提出的方法

• 采用Waxman & Draine（2000）提出的尘埃加热模型，该模型预测伽马射线暴正向和反向冲击产生的紫外/X射线辐射可加热大质量分子云中的尘埃。
• 在假设尘埃光学厚度 $\tau_V \approx 0.2-2$ 和典型伽马射线暴能量分布的前提下，计算尘埃再辐射产生的预期近红外亮度。
• 将模型预测的近红外通量和光变曲线与观测值 $f_{\nu} \approx 2\,\mu$Jy（在K波段）和 $f_{\nu,K}/f_{\nu,i} \approx 30$（在 $t \approx 5$ 天时）进行比较。
• 评估该模型与未探测到超新星特征以及测得的X射线余晖通量的一致性。
• 考虑两种可能的宿主星系红移：$z = 0.076$ 和 $z = 0.459$，评估哪种更符合尘埃加热情景和观测约束。
• 利用约1 keV光子的电离和吸收截面，评估其在加热尘埃中的作用，表明由于气相电离屏蔽，其加热效率低于非电离光子。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRB 211211A的持续近红外辐射是否可由尘埃加热而非千新星来解释？
• RQ2 为重现观测到的 $f_{\nu,K}/f_{\nu,i} \approx 30$ 通量比和 $L_{\rm NIR} \approx 10^{41}$ erg s$^{-1}$ 亮度，需要多大的尘埃光学厚度和云团参数？
• RQ3 观测到的近红外辐射是否与Waxman & Draine（2000）提出的尘埃加热模型一致，特别是对于 $z \lesssim 1$ 的宿主星系？
• RQ4 光学-近红外光变曲线和未探测到超新星的观测结果对宿主星系红移和亮度施加了哪些约束？
• RQ5 $\sim 1$ keV 光子在加热尘埃方面有多有效？其贡献是否超过非电离光子？

主要发现

• 观测到的K波段近红外通量 $f_{\nu} \approx 2\,\mu$Jy 和持续约10天的 $L_{\rm NIR} \approx 10^{41}$ erg s$^{-1}$ 亮度，与由伽马射线暴与周围介质相互作用产生的紫外和软X射线辐射加热尘埃所产生的热辐射一致。
• 在 $t \approx 5$ 天时观测到的 $f_{\nu,K}/f_{\nu,i} \approx 30$ 通量比与千新星模型不一致，后者预测的比值约为7（如GW170817所见），因此千新星解释可能性较低。
• 尘埃加热模型预测在 $\tau_V \approx 0.2-2$ 条件下会产生强烈的近红外辐射，与观测到的通量和持续时间一致，且与 $z \lesssim 1$ 宿主星系相符。
• $z = 0.459$ 宿主星系解与未探测到超新星、典型的伽马射线暴 $\gamma$-射线能量以及观测到的余晖通量一致。
• 模型预测 $\sim 1$ keV 光子对尘埃加热的贡献微弱，因为金属在气相中的电离会抑制尘埃加热，因此非电离光子是主要加热源。
• 该模型暗示存在一个位于 $z \approx 0.5$ 的暗淡矮星系，其亮度 $\lesssim 0.01L_\star$，可能可通过哈勃望远镜（HST）和詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）探测到。