[论文解读] Tale of GRB 171010A/SN 2017htp and GRB 171205A/SN 2017iuk: Magnetar origin?

Amit Kumar, Shashi B. Pandey+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 116被引用 19

一句话总结

本研究利用德瓦斯塔尔3.6米光学望远镜的晚发光学测光数据及爆发脉冲辐射分析，调查了两例低光度伽马射线暴关联超新星——GRB 171010A/SN 2017htp与GRB 171205A/SN 2017iuk的磁星起源假说。通过MINIM代码进行的半解析光变曲线建模表明，自转衰减的毫秒磁星中心引擎最能重现这两例GRB-超新星及超亮超新星SN 2011kl的总光度光变曲线，支持这些稀有高能暂现源的共同磁星起源。

ABSTRACT

We present late-time optical follow-up observations of GRB 171010A/SN 2017htp ($z$ = 0.33) and low-luminosity GRB 171205A/SN 2017iuk ($z$ = 0.037) acquired using the 4K$ imes$4K CCD Imager mounted at the 3.6m Devasthal Optical Telescope (3.6m DOT) along with the prompt emission data analysis of these two interesting bursts. The prompt characteristics (other than brightness) such as spectral hardness, T$_{90}$, and minimum variability time-scale are comparable for both the bursts. The isotropic $X$-ray and kinetic energies of the plateau phase of GRB 171205A are found to be less than the maximum energy budget of magnetars, supporting magnetar as a central engine powering source. The new optical data of SN 2017htp and SN 2017iuk presented here, along with published ones, indicate that SN 2017htp is one of the brightest and SN 21017iuk is among the faintest GRB associated SNe (GRB-SNe). Semi-analytical light-curve modelling of SN 2017htp, SN 2017iuk and only known GRB associated superluminous supernova (SLSN 2011kl) are performed using the $ exttt{MINIM}$ code. The model with a spin-down millisecond magnetar as a central engine powering source nicely reproduced the bolometric light curves of all three GRB-SNe mentioned above. The magnetar central engines for SN 2017htp, SN 2017iuk, and SLSN 2011kl exhibit values of initial spin periods higher and magnetic fields closer to those observed for long GRBs and H-deficient SLSNe. Detection of these rare events at such late epochs also demonstrates the capabilities of the 3.6m DOT for deep imaging considering longitudinal advantage in the era of time-domain astronomy.

研究动机与目标

• 利用晚发光学观测调查GRB 171010A/SN 2017htp与GRB 171205A/SN 2017iuk的磁星起源假说。
• 比较两例爆发的脉冲辐射特性，重点关注能谱硬度、T90及最小变异性 timescale。
• 使用MINIM代码对SN 2017htp、SN 2017iuk与SLSN 2011kl进行半解析光变曲线建模，以检验能量来源机制。
• 约束关键物理参数，如抛射物质量、⁵⁶Ni质量、动能以及磁星自转周期与磁场强度。
• 将这些GRB-超新星的磁星参数（初始自转周期与磁场）与其它暂现源类别的参数进行比较，评估磁星驱动事件的连续性。

提出的方法

• 利用德瓦斯塔尔3.6米望远镜上的4K×4K CCD成像仪，获取SN 2017htp（爆发后约43天）与SN 2017iuk（爆发后约105天）的晚发光学测光数据。
• 对GRB 171010A与GRB 171205A的脉冲辐射数据进行分析，包括平台期的各向同性X射线能量与动能计算。
• 利用新获取与已发表的多波段光学数据，生成SN 2017htp、SN 2017iuk与SLSN 2011kl的总光度光变曲线。
• 应用MINIM代码进行半解析光变曲线建模，测试三种能量来源机制：放射性衰变（RD）、磁星自转衰减（MAG）与星周物质相互作用（CSMI）。
• 将模型拟合至总光度光变曲线，为每颗超新星选择最佳拟合参数，包括初始自转周期（Pi）、磁场强度（B）、⁵⁶Ni质量（M_Ni）与抛射物质量（Mej）。
• 将三例GRB-超新星的磁星参数（Pi与B）与其它暂现源类别（sGRBs、EE-sGRBs、lGRBs、SLSNe I）的参数进行比较，评估磁星驱动暂现源的潜在连续性。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁星自转衰减是否是GRB 171010A/SN 2017htp与GRB 171205A/SN 2017iuk观测到的总光度光变曲线的可行能量来源机制？
• RQ2 GRB 171205A平台期的各向同性X射线能量与动能如何与磁星的最大能量预算相比较，从而支持其磁星起源？
• RQ3 使用MINIM代码的半解析光变曲线建模能否有效区分放射性衰变、磁星自转衰减与星周物质相互作用作为这些GRB-超新星的主要能量来源？
• RQ4 SN 2017htp、SN 2017iuk与SLSN 2011kl中磁星中心引擎的初始自转周期与磁场强度的推断值是什么？它们与其他磁星驱动暂现源的参数如何比较？
• RQ5 GRB-超新星与sGRBs、lGRBs与SLSNe I等其它暂现源类别之间，是否存在磁星参数（初始自转周期与磁场强度）的物理连续性？

主要发现

• SN 2017iuk的总光度光变曲线仅能通过磁星自转衰减（MAG）模型良好拟合，且参数具有物理解释性；而放射性衰变（RD）与星周物质相互作用（CSMI）模型无法拟合数据。
• SLSN 2011kl的总光度光变曲线可由MAG与CSMI模型共同重现，但MAG模型提供了更物理解释的机制。
• 使用MINIM代码的半解析光变曲线建模表明，自转衰减的毫秒磁星是解释三例GRB-超新星（SN 2017htp、SN 2017iuk与SLSN 2011kl）光变曲线的共同能量来源。
• SN 2017iuk的磁星中心引擎具有比SN 2017htp与SLSN 2011kl更长的初始自转周期与更强的磁场，但三者抛射物质量无显著差异。
• GRB 171205A的各向同性X射线能量（EX,iso）在所研究样本中最低，其动能（EK,iso）低于磁星的最大能量预算，支持该低光度爆发的磁星起源。
• 初始自转周期（Pi）与磁场强度（B）的比较显示，三例GRB-超新星的Pi值高于SLSNe I与lGRBs，但低于sGRBs；B值高于SLSNe I，但更接近lGRBs，表明不同类别暂现源之间存在磁星驱动事件的物理连续性。