[论文解读] Transition from Fireball to Poynting-flux-dominated Outflow in Three-Episode GRB 160625B

B.-B. Zhang, B. Zhang+52 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用 11

一句话总结

本研究将 GRB 160625B 视为一个独特案例，其中时间分辨光谱分析揭示了在三个不同爆发阶段中，从热火球主导喷流向非热、Poynting通量主导喷流的清晰转变。前两个次爆发中表现出的从准热谱到 Band 函数谱的演化，为喷流成分变化提供了直接观测证据，支持了伽马射线暴喷流从富含重子的火球演变为 Poynting 通量主导喷射的理论模型。

ABSTRACT

The ejecta composition is an open question in gamma-ray bursts (GRB) physics. Some GRBs possess a quasi-thermal spectral component in the time-resolved spectral analysis, suggesting a hot fireball origin. Others show a featureless non-thermal spectrum known as the "Band" function, consistent with a synchrotron radiation origin and suggesting that the jet is Poynting-flux-dominated at the central engine and likely in the emission region as well. There are also bursts showing a sub-dominant thermal component and a dominant synchrotron component suggesting a likely hybrid jet composition. Here we report an extraordinarily bright GRB 160625B, simultaneously observed in gamma-rays and optical wavelengths, whose prompt emission consists of three isolated episodes separated by long quiescent intervals, with the durations of each "sub-burst" being $\sim$ 0.8 s, 35 s, and 212 s, respectively. Its high brightness (with isotropic peak luminosity L$_{ m p, iso}\sim 4 imes 10^{53}$ erg/s) allows us to conduct detailed time-resolved spectral analysis in each episode, from precursor to main burst and to extended emission. The spectral properties of the first two sub-bursts are distinctly different, allowing us to observe the transition from thermal to non-thermal radiation between well-separated emission episodes within a single GRB. Such a transition is a clear indication of the change of jet composition from a fireball to a Poynting-flux-dominated jet.

研究动机与目标

• 研究单一伽马射线暴中多个独立爆发阶段的喷流成分演化。
• 确定 GRB 160625B 中从热辐射到非热辐射的光谱演化是否表明从火球向 Poynting 通量主导喷流的转变。
• 对一颗明亮的伽马射线暴进行高时间分辨率、时间分辨的光谱分析，以解析不同爆发阶段中辐射机制的变化。
• 检验理论模型中预测的伽马射线暴喷流演化：随着中心引擎演化，从重子主导转变为 Poynting 通量主导的喷射。

提出的方法

• 利用 Fermi-GBM、LAT、Konus-Wind、INTEGRAL、RHESSI 和 CALET 的多波段数据，对瞬时辐射进行时间分辨光谱拟合。
• 应用 Band 函数和热辐射（黑体）组分，对三个不同子爆发中的光谱能量分布（SED）进行建模。
• 分析三个爆发阶段的光谱演化：一个短前驱爆发（~0.8 秒）、一个主爆发（~35 秒）和一个延长辐射（~212 秒）。
• 使用贝叶斯信息准则（BIC）和归一化卡方（χ²/dof）比较模型拟合效果，并评估光谱变化的显著性。
• 采用多仪器、多波段的光 light curve 和光谱分析，以确保光谱趋势的稳健性和交叉验证。
• 纳入 Swift 和地面望远镜的光学后随观测数据，以约束余晖解耦和辐射起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRB 160625B 中的光谱演化是否表明从热火球向非热、Poynting 通量主导喷流的转变？
• RQ2 在 GRB 160625B 的三个独立爆发阶段中，光谱指数和峰值能量如何演化？
• RQ3 光谱变化的物理起源是什么——来自高温火球的热辐射，还是来自 Poynting 通量主导喷流的同步辐射？
• RQ4 观测到的光谱转变是否可由单一喷流的成分演化来解释，而非多个独立的爆发事件？
• RQ5 中心引擎活动在长伽马射线暴中驱动从富含重子的喷流向 Poynting 通量主导喷流转变中起什么作用？

主要发现

• 首次子爆发（~0.8 秒）表现出主导的热辐射组分，kT ≈ 35.0 keV，光谱较软（α = -0.65），与高温火球起源一致。
• 第二次子爆发（~35 秒）显示出硬的非热光谱，最佳拟合为 Band 函数，E_p ≈ 302.6 keV，α = -0.85，β = -2.21，表明来自 Poynting 通量主导喷流的同步辐射。
• 第三次子爆发（~212 秒）表现出更硬的光谱（E_p ≈ 454 keV），α = -0.54，β = -1.70，暗示 Poynting 通量主导持续存在或处于过渡阶段。
• 在时间上分离良好的爆发阶段中，从热辐射到非热辐射的光谱演化，为喷流成分从火球向 Poynting 通量主导喷流转变提供了直接观测证据。
• 各向同性峰值光度 L_p,iso ≈ 4 × 10^53 erg/s，使得高信噪比光谱分析成为可能，从而能明确解析该转变过程。
• 时间分辨光谱分析显示光谱指数和峰值能量发生明显转变，PGSTAT/dof 从首次爆发的 3799.78/360 显著改善至第二次爆发的 1724.41/360，表明非热模型拟合更优。