[论文解读] Subphotospheric heating in GRBs: analysis and modeling of GRB090902B as observed by Fermi

T. Nymark, M. Axelsson+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2011

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本文提出，光球层以下的能量释放——即亚光球层耗散——可解释GRB 090902B中的光谱演化，将类似普朗克的热谱形转变为类似Band函数的非热谱形。通过辐射过程的数值建模，表明耗散强度和位置的变化可产生观测到的光谱形态，证实光球层发射是伽马射线暴中关键的组成部分。

ABSTRACT

We analyze the spectral evolution of GRB 090902B and show that subphotospheric dissipation can explain both the spectra and the spectral evolution. The emission from a GRB photosphere can give rise to a variety of spectral shapes. The spectrum can have a shape close to that of a Planck function (as is observed during the first half of GRB090902B) or be broadened, resembling a typical Band function (as is observed during the second half of GRB090902B). The shape mainly depends on the strength and location of the dissipation in the jet, the ratio of the energy densities of thermal photons and of the electrons at the dissipation site, as well as on the strength of the magnetic field. We further discuss numerical models of the dissipation and relate these to the observed spectra.

研究动机与目标

• 研究GRB 090902B中光谱多样性的起源，特别是从类似普朗克的光谱向类似Band函数的光谱转变的原因。
• 确定亚光球层耗散是否足以解释观测到的光谱演化，而无需从一开始就存在主导的非热成分。
• 建模光球层以下发生的辐射过程，并评估其对出射光谱的影响。
• 检验洛伦兹因子或耗散强度的变化是否能解释GRB 090902B中观测到的光谱演化。
• 确立在现实耗散条件下，光球层发射本身可自然产生类似非热光谱的特性。

提出的方法

• 使用自洽代码对相对论喷流中的辐射过程进行数值建模，包含同步辐射、同步辐射自吸收（SSA）、康普顿散射、对产生/湮灭以及电磁级联过程。
• 在光学深度τ = 10处建模耗散，假设动能的分数εd被耗散，其中εe和εB分别表示分配给电子和磁场的能量。
• 通过改变耗散强度（εd = 0.1和0.2）模拟光球层处的出射光谱，以重现观测到的光谱形态。
• 将模拟光谱与GRB 090902B的Fermi时间分辨数据进行比较，重点关注光谱随时间的演化。
• 使用多色黑体模型拟合早期的陡峭成分，使用Band函数拟合后期的展宽成分。
• 分析洛伦兹因子变化如何影响光球层位置，并促使耗散从光球层上方转移到下方。

实验结果

研究问题

• RQ1 亚光球层耗散能否解释GRB 090902B中从类似普朗克的光谱向类似Band函数的光谱转变？
• RQ2 哪些物理条件——如耗散强度、磁场以及电子能量分数——是将光球层发射转化为类似Band函数形状所必需的？
• RQ3 耗散位置（光球层上方或下方）如何影响观测到的光谱形态？
• RQ4 洛伦兹因子的变化在将耗散位置移至光球层以下并改变光谱方面起什么作用？
• RQ5 仅靠光球层发射是否足以解释GRB 090902B中观测到的光谱成分，还是需要一个独立的非热成分？

主要发现

• GRB 090902B的早期阶段表现出一个陡峭且狭窄的光谱成分，与多色黑体高度一致，强烈表明是光球层发射。
• 晚期阶段的光谱展宽，且能被Band函数良好拟合，表明热成分受到亚光球层耗散的显著调制。
• 数值模型表明，强烈的亚光球层耗散（εd = 0.2）可将类似普朗克的光谱转变为类似Band函数的形状，与观测结果一致。
• 弱耗散（εd = 0.1）产生接近普朗克函数的光谱，而较强耗散则导致光谱展宽并呈现非热特征。
• GRB 090902B的光谱演化最合理的解释是耗散位置从光球层上方转移到下方，这可能是洛伦兹因子变化所致。
• 本研究得出结论：光球层发射是伽马射线暴光谱的常见且合理的起源，即使在光谱呈现非热特征时，也是由于亚光球层的能量耗散所致。