[论文解读] The SKA view of Gamma-ray Bursts

D. Burlon, G. Ghirlanda+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2015

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 7

一句话总结

该论文预测，平方公里阵列（SKA）将通过实现高时间分辨率、深度的射电巡天，彻底改变伽马射线暴（GRB）的研究。SKA将探测几乎所有指向地球的GRB，并常规观测到‘孤儿余晖’——即喷流未对准地球时产生的辐射。SKA将追踪余晖光变曲线至极晚时期，包括非相对论性过渡阶段，从而以前所未有的精度揭示GRB的能量预算、周围介质密度分布以及激波特性的微观物理机制。

ABSTRACT

Gamma-ray bursts (GRBs) are some of the most extreme events in the Universe. As well as providing a natural laboratory for investigating fundamental physical processes, they might trace the cosmic star formation rate up to extreme redshifts and probe the composition of the intergalactic medium over most of the Universe's history. Radio observations of GRBs play a key part in determining their physical properties, but currently they are largely limited to follow-up observations of $γ$-ray-detected objects. The SKA will significantly increase our ability to study GRB afterglows, following up several hundred objects in the high frequency bands already in the "early science" implementation of the telescope. SKA1-MID Bands 4 (4 GHz) and 5 (9.2 GHz) will be particularly suited to the detection of these transient phenomena. The SKA will trace the peak of the emission, sampling the thick-to-thin transition of the evolving spectrum, and follow-up the afterglow down to the time the ejecta slow down to non-relativistic speeds. The full SKA will be able to observe the afterglows across the non-relativistic transition, for ~25% of the whole GRB population. This will allow us to get a significant insight into the true energy budget of GRBs, probe their surrounding density profile, and the shock microphysics. The SKA will also be able to routinely detect the elusive "orphan afterglow" emission, from the population of GRBs whose jets are not pointed towards the Earth. We expect that a deep all-sky survey such as SKA1-SUR will see around 300 orphan afterglows every week. We predict these detection to be >1000 when the full SKA telescope will be operational.

研究动机与目标

• 评估SKA通过深度、大范围射电巡天在GRB研究方面的变革潜力。
• 量化由于喷流方向未对准地球而无法在伽马射线波段观测到的GRB余晖的探测率。
• 建立SKA观测如何追踪GRB余晖完整演化过程的模型，特别是跨越非相对论性过渡阶段的情况。
• 评估SKA探测并表征‘孤儿余晖’——这一此前因灵敏度限制而未被探测到的天体群体——的能力。
• 确立SKA在推动射电天文学达到与光学和X射线GRB研究相当的完备性方面的作用。

提出的方法

• 利用标准同步辐射激波特性和喷流减速物理模型，在射电频段模拟GRB余晖光变曲线。
• 基于观测到的GRB群体和光谱演化模型推导的通量密度分布，估算探测率。
• 应用SKA1-MID Band 4（4 GHz）和Band 5（9.2 GHz）以及SKA1-SUR全天巡天参数的灵敏度阈值（F_lim）。
• 使用统计模型预测在假设1000小时积分时间及5σ探测条件下，SKA1-SUR PAF波段每周探测到的孤儿余晖数量。
• 考虑波束和角分辨率效应，包括利用甚长基线干涉测量（VLBI）实现亚毫角秒分辨率，以区分孤儿余晖与其他慢变暂现源。
• 比较SKA各阶段的探测率：早期科学阶段（SKA1）、完整SKA（SKA2）以及类似ASKAP的路径探测仪器。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SKA的早期科学阶段，将探测到多少GRB余晖？与当前探测率相比如何？
• RQ2 在完整的SKA下，能追踪多少比例的GRB群体在射电光变曲线中跨越非相对论性过渡阶段？
• RQ3 在深度全天空巡天中，SKA每周能探测到多少例‘孤儿余晖’——即来自偏离视线方向喷流的辐射？
• RQ4 SKA能否通过多频射电谱和高分辨率成像，将孤儿余晖与其它缓慢演化暂现源区分开？
• RQ5 SKA观测在多大程度上能改善对GRB能量预算、周围介质密度分布及激波特性的约束？

主要发现

• SKA1-SUR全天空巡天每周将探测到约300例孤儿余晖，随着完整SKA（SKA2）的启用，探测率将提升至每周1,000例以上。
• SKA1-MID Band 4（4 GHz）和Band 5（9.2 GHz）特别适合探测GRB余晖，能够采样光谱演化中的光学厚到光学薄过渡阶段。
• 完整SKA将追踪约25%的总GRB群体在非相对论性过渡阶段的余晖光变曲线。
• SKA将近乎完全探测到所有喷流指向地球的GRB，从而实现与光学和X射线波段相当的、高度采样的射电光变曲线。
• 多频SKA观测将通过长基线VLBI实现亚毫角秒分辨率，从而测量膨胀速度，有效区分孤儿余晖与射电超新星。
• SKA1-SUR巡天预计在PAF波段1（0.7 GHz）每周探测到357例孤儿余晖，探测率在PAF波段3（4.0 GHz）降至237例，具体取决于灵敏度和通量极限。