ガンマ線バースト

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1 ガンマ線バースト 浅野勝晃 ( 東京工業大学 )

2 目次 観測とモデルの概要 モデルへの制限 相対論的なジェットの形成 衝撃波と粒子加速 ガンマ線放射メカニズム 残光 未解決問題と代替モデル

3 単位系 超新星爆発の典型的エネルギー :0 5 rg 太陽の質量エネルギー :0 54 rg 太陽光度 : rg/s 銀河光度 :0 43 rg/s 銀河団 pc cm 一番近い星までの距離 :.3pc Mpc 0kpc 赤方偏移 z0.: 距離 450Mpc.7Gyr 前 z: 距離 6.5Gpc 8Gyr 前 宇宙年齢 :3.7Gyr

4 光子のエネルギー νi ν [rg/cm /s/str] 0.0 CMB EBL Cosmic rays -06 Extra Galactic X 電子質量 :5kV 可視光 X 線 Galactic γ Extra Galactic γ TV kv MV GV E [V]

5 観測とモデルの概要

6 発見 96 年 Sco X- ロケット観測 (Giacconi) X 線天文学の始まり 967 年軍事衛星 Vla によるガンマ線バースト (GRB) の検出 970 年世界初の X 線天文衛星 Uhuru 987 年ぎんが打上 99 年 CGRO/BATSE 以来 日 -3 個のバーストを検出 核実験監視衛星 Vla

7 Prompt Emission

8 全天分布

9 Brak Enrgy Brak E p hb m c γ m

10 BppoSAX 996 年打上 GRB 9708 X 線と可視光の残光

11 Panaitscu & Vstrand 008 残光 Racusin t al. 009 X 線 可視

12 超新星爆発との相関 GRB & SN998bw GRB & SN003dh E p が低い ただし暗い GRB

13 Short GRB 中性子星合体

14 XRF/XRR X-ray flash, X-ray rich GRB

15 観測からわかったこと 見かけの爆発エネルギー : rg 典型的な光子のエネルギー :00kV-MV 継続時間 : 秒 -00 秒 時間変動 :>msc ほぼ全てのGRBがX 線残光を伴い 半分ほどに可視光残光あり 稀に変な超新星が見つかる ( 特異なGRBに多い ) 頻度 : Gpc -3 yr -

16 宇宙の極限的現象 宇宙最大の爆発現象 太陽 個分のエネルギーが 0 秒で消失 超相対論的現象 ブラックホール形成 超相対論的ジェット 極限的プラズマ 温度 MV-TV 粒子加速 磁場の増幅 放射過程 なぜガンマ線なのか?

17 なぜ GRB を研究するか? 超新星爆発 : 星間ガスへのエネルギー解放 銀河進化に影響重元素 ダスト生成 惑星 生命の起源 超新星爆発の発生率 : Gpc -3 yr - 我々の銀河では 30 年に 発 銀河の 50 億年の歴史を人類の歴史 5 千年と比較 6 分に 回起こるありふれた事象 ( 日本での自殺者 6 分に一人 ) GRB 0 5 倍稀な現象 宇宙史に影響の無いマニアックな現象? 単純換算で我々の銀河では 300 万年に 回ほど GRB が起きている? 人類の歴史に比定すると 80 年に 回の大事件銀河円盤のサイズ 5kpc -> kpc 以内で起きる GRB 回 /5Myr

18 65Myr 恐竜絶滅 Natur, 434, 08 (005) 440Myr オルドビス紀大量絶滅 50Myr P-T 境界 600Myr カンブリア爆発 石炭紀

19 宇宙最遠天体は GRB 重元素やダストの少ない環境 000 太陽質量程度の非常に重い星ができやすい 初期宇宙は GRB だらけ? GRB z8., t6 億年 LyαEmittr z6.964, t7.8 億年

20 GRB からの重力波 00Mpc 以内の中性子星合体を検出可能 -> Short GRB? 次世代の宇宙物理

21 標準的な描像 星間ガス 内部衝撃波 外部衝撃波 / ( v / c)

22 普遍的な相対論的ジェット 活動銀河核からのジェット >0 3C353 M87 3C73 CygA

23 モデルへの制限

24 Band Function n(ε) α ε n(ε) β ε α, β.5 ε p 00kV MV ε p

25 時間変動からの制限 光度曲線 Δt > ms 放射体のサイズ l<cδt ms ブラックホールのサイズ r g 300km GM M 3 km c M sun

26 光子の密度 全解放エネルギー :>0 5 rg 光子の平均エネルギー : MV N ph E ε tot p 密度 ( R c t) n ph N 4π 3 大量の ph R E 0 E 0 ε > 5kV m c tot 5 tot 5 ε p rg MV ε p rg MV という光子が観測されている t 0ms 3 cm 3

27 電子 陽電子対生成 ) cos )(,, ( ) ( ' ) ( ) cos ( ) /( ) ( )ln (3 ) ( θ θ ε ε σ Ω ε ε Ω ε τ θ εε β β β β + β β β σ σ γγ γγ d n d d R c m k k T ε ε θ 光学的厚さ 4 ) cos ( c m > θ εε

28 光子は脱出できない σ γγ [cm ] -4 トムソン散乱 kV τ -8 γγ 0 00 εε'(-cosθ)/m c 4 n ph (0 5 cm ) R E 0 ガンマ線は外に出れない大量の電子 陽電子対が生まれ 低エネルギー光子もトムソン散乱を繰り返し熱化 プランク分布へ tot 5 ε p rg MV t 0ms

29 GRB 08096C; Spctra MV-0GV Powr-law 0GV までベキ乗で伸びている

30 特殊相対論おさらい t/ t' l' l, ダッシュ系 V V', / ', / ' n n ) ( ), ( A A A A A A β β ), ( ),, ( ),, ( ),, / ( ),, ( v j A k x γ γ ρ φ ω µ µ µ µ µ c m p c j A c k d cdt dx ローレンツ収縮 時間の遅れ密度など

31 特殊相対論の様々な帰結 ) / ' ( ', / ' ' // // // // c v v v c v c v v β β β ) (, ) ( 4 β β γ γ γ µ µ µ µ rl rl p p c m m p p c v 4 3 int int ) (, ) ( ) ( E E c m m p p c v v p n p σ τ µ µ µ µ 3 /, /, /,, ν ν ν ν j dt de I N f dvdt E p d p xd d d dt c dx dx, /,, x µ µ ローレンツ不変量相対速度速度のローレンツ変換反応率

32 相対論的 Baming 静止系等方放射角度のローレンツ変換 / ') ( ', ' ' cos + βµ Ω Ω + βµ µ +β θ µ d d ' ' ' ' ' ) (, ' ' ' ' ' ) ( ' ' ' ' ) (, ' ' ' ' ) ( ' ' ' ) (, ' ' ' ) ( 3 rciv mit 4 3 rciv 3 3 mit 4 4 rciv 3 4 mit ν βµ ν ν βµ ν βµ βµ βµ βµ ν d d dv dt de d dtdvd de d d dv dt de d dtdvd de j d dv dt de dtdvd de d dv dt de dtdvd de d dt de dtd de d dt de dtd de Ω Ω Ω Ω Ω Ω Ω Ω Ω Ω Ω Ω

33 光速に近い運動をする光源 / c R c R c R v R t t c R サイズが 倍に R 放射領域のサイズは cδt より大きくできる c v

34 相対論的ビーミング 角度 (μcosθ) のローレンツ変換 µ µ ' +β + βµ ' θ / プラズマ静止系 外部観測者系 ペア生成条件 εε 4 ( cosθ) m c を満たさなくなる プラズマ静止系で考えると 光子の運動は等方的だが 平均エネルギーが / となって やはり条件を満たさない

35 対消滅 ぶつかる相手光子のエネルギー :E coll ~m c 4 /E 相手光子の数 : E coll n(e coll )~ E coll β+ E -β- n(e) 0.kV kv GV 0GV E

36 Targt Photon Dnsity E n(e) β+ β~-. - β+ - Obsrvr fram Comoving fram GV Targt photon numbr β+ τ R Photon Dnsity R - -4 τ β-

37 パルス変動 時間変動スケール δt<< 継続時間 T δt T

38 Shll が一瞬光った場合 R / Obsrvr 本当に一瞬なら Luminosity は無限 しかし この時間スケールになまるので 真の Luminosity と 観測される Luminosity は異なる δt 変動の時間スケール R c

39 何度もまたたく光源 Photon Obsrvr R cδt T R c / R c δt!?

40 内部衝撃波 (intrnal shock) 複数のシェルが独立に光ればよい Intrnal Shock Modl

41 おさらい 光源静止系シェルの厚さ : 放射継続時間 T / c 放射エネルギー E 外部座標系 / ローレンツ収縮 T / 時間の遅れ c R 半径 ct E E ブースト 観測量 継続時間 T obs R /( c /( c) / c ) 光度 L obs E / E / T T obs E / T L xt L Inv.

42 変動の時間スケール早いシェルと遅いシェルの衝突 r M s M r s m 初期時間差 src t 追いつく半径は src m obs s s r s r src ) ( t c R t R R c R c t c + β β エンジンの活動時間スケールと観測される変動スケールは同程度 R

43 相対論的なジェット の形成

44 巨星の運命 金属量 Hgr t al. 003 質量

45 ニュートリノ対消滅による火の玉? 0.76 sin rg cm sin sin 3 W 3 49 W 4 W 4 θ θ + θ ± π σ µ µ F F G c p p G h 回転が必要? 金属量が多いと星風により角運動量を失う 低金属環境? ただし星風で質量を失った方がジェットが突き抜けやすい関口氏スライド

46 シミュレーション 大量の電子 陽電子 光子を含む相対論的ガスの膨張シミュレーション

47 加速メカニズム? E mc?? / ( v / c) > 00 BH E mc 多数の粒子が解放した重力エネルギー ( 熱 輻射 磁場 ) を少数の粒子に配分 BH そのものからエネルギーを引き抜く

48 火の玉と輻射優勢宇宙 分布関数のパラメータ :[n, T] [μ,t] 激しく γ + γ + + 反応が起きていて 熱平衡となっている μ0( 黒体輻射的 ) n ± 4 3 π mt πh ζ(3) h xp 火の玉は断熱膨張し 輻射優勢宇宙と同様に振舞う 3/ T c 3 for mc T T >> for m c T << m c 温度のみで書ける

49 断熱膨張 全エネルギー : rg 初期温度 : m c 相対論的温度! 流体静止系 (Comoving) で考える膨張と共に温度が下がっていくエントロピー (RT) 3 RTconst. バリオンを少し混ぜておく : η 全エネルギー / バリオン静止エネルギー

50 流体力学的取り扱い ( ) ( ) ( ) ( ) / 4 3/ + + ρ + + ρ + ρ + ρ U r r r t c r U r r r U t c U r r r t c P/3, : 輻射のエネルギー密度, ρ: バリオンのエネルギー密度 β U

51 流体力学的取り扱い 光速程度で運動していると考えると 爆発現象も定常解と r- 依存性はそう変わらず r ρ const., r ρ const., r 3/ 4 const. Piran, Shmi, & Narayan 993

52 輻射優勢の時 >>ρ r, ρ r 3, r 4 加速膨張していく Comoving 系 r Obsrvr 系 r Δrr/ Lorntz 収縮 一様な火の玉 シェルの厚みは一定

53 バリオン優勢の時 (/ρ) 0 η 0 となった所で ρ になる ρ>> r 0, ρ r, r 8/3 Δr 一定 シェルの厚みを一定に保ち Coasting している

54 Firball の進化 r 4 晴れ上がり ρ r 3 η r ρ r T const. T / 3 r. r 8 / 3 光球放射 r

55 衝撃波と粒子加速

56 なぜベキ乗分布なのか? ベキ乗分布の光子 -> 光を放っている電子もベキ乗分布 熱的分布に比べて高エネルギー粒子の割合が大きい

57 衝撃波統計加速 磁気乱流 磁気乱流 磁気乱流 磁気乱流 磁気乱流

58 無衝突系 我々の周りの環境空気分子 :0 9 回 /s 衝突している平均自由行程 : 0-5 cm 瞬時に緩和 熱化 等方化が達成される 一方 星間空間では TV, 個 /cc クーロン衝突による平均自由行程 : ~ 0 4 cm どうやって衝撃波や乱れた磁場を作るか?

59 乱れた磁場と粒子の相互作用 l r C 荷電粒子は細かい曲がりは感じない磁力線 粒子軌道 l r C 荷電粒子は磁力線の曲がりに沿って運動 l~ r C 荷電粒子は磁力線の曲がりによって散乱される ラーマー半径 R L ~ 磁場の乱れのスケール

60 ω p 4 πn 4 m p /s for n /cc Downstram Upstram Spitkovsky 008

61 Maxwll s Maxwll

62 衝撃波 n v P n v P 粒子 Flux [ nβ] n β n β 0 Momntum [ ] [ ] T ( ε + P) β 0 Enrgy [ ] [ ] 0 T ( ε + P) β + P 0 Non-rla ρv γˆ ˆ γ [ ] [ ] nv 0, + P 0, P + ρv 0

63 相対論的衝撃波 ) ) / ( / ( >> c v 3 ) )( ( ) )( (, ) )( ( ) )( ( P P P P P c v P P P P c v 上流と下流の相対速度 ) )( ( ) )( (, ) )( ( ) )( ( P P P P P P P P c v / 3, / 4/3, ˆ,, / c v P P P n mc P s >> << γ ) ( 3, 4 ) )( ˆ ( ˆ ] ) ( ˆ )[ ( U mc n mc n U n n γ γ γ

64 相対速度がもたらす加速 上流 β 上流から見たエネルギー E E( βcosθ) E θ 下流静止系 磁場によってエネルギーを保ったまま方向を変える E θ E 下流から見たエネルギー E ( + βcosθ ) E ( βcosθ)( + βcosθ )

65 衝撃波統計加速 v Shock Front Shockd Rgion Magntic Fild 粒子 ローレンツ変換より E E u v c 流体静止系では磁場のみ 磁場は仕事をしない v cosθ + cos 下 θ 上 c

66 衝撃波面を横切る加速粒子の数 下流静止系 v rl u 上流に戻る条件 + c cosθ > 0 < cosθ < u / c 上流 下流 & n u / c dncr v d cosθ rl d cosθ ( c u) 4c n CR v n CR θ 下流に戻る量 u 波面 & n 等方, ほとんど光速 u / c d dncr n CR d cosθ dncr cosθ v rl P sc ( c d cosθ n& n& + u) 4c n CR

67 衝撃波 非相対論的衝撃波 相対論的衝撃波 上流 下流 4v Pv sc 3 ( c + v / 3) c 4c ( v / 3) 4c 上流 v / 3 c / 3 n n CR CR P sc 下流 3 ( c + c / 3) 4 4c ( c c / 3) 4c n n CR CR 波面 波面

68 衝撃波 上流 非相対論的衝撃波 v E E v v cos θ + cos 下 θ上 c c < 下 下流 cos θ > / 3 cos 0 下 上流 相対論的衝撃波 / ( v / c) >> < θ下 下流 θ cos > 3/ 4 cos θ 下 / 3 v / 3 c / 3 波面 cos θ 下 波面 cos θ 下

69 衝撃波 上流 非相対論的衝撃波 cos θ > / 3 < 上 cos θ 上 0 cos θ 上 E E v v v cos θ + cos 下 θ上 c c 下流 上流 相対論的衝撃波 cos θ < 上 cos θ 上 v / c cos θ 上 下流 > ( a fw/ ) 4v / 3 波面 波面

70 衝撃波 非相対論的衝撃波 相対論的衝撃波 E E 4v 3c E E a fw 上流 下流 上流 下流 v v / 3 c / 3 波面 波面

71 衝撃波統計加速 n 回往復する確率 : γ log( P log( + ( P sc ) E n log En / E0 log + ξ ( ) n 回衝突後のエネルギー : n ) ξ) sc ( ) N ( > En ) m n ( n P N ( > sc n + ξ E, 0 ξ E ) n m ) ( P Psc E Psc E sc n 0 ) n n( E) E E γ E γ

72 ベキ乗分布 非相対論的な場合 Psc γ ξ n(e) 相対論的な場合でも同じくらい E 特徴的なエネルギースケールなし E

73 ガンマ線 放射メカニズム

74 ガンマ線放射 プラズマ静止系ではX 線 それがローレンツブーストされて ガンマ線として観測されている 他の高エネルギー天体でベキ乗光子を見ると だいたい最初にシンクロトロンを考える GRBもシンクロトロンだろうか?? 内部衝撃波で運動エネルギーを効率よく光子に変えられるだろうか?

75 古典的電磁波放射 Maxwll q. 4π µ µ A j A µ t c A 0 電場の定義 E A derad dωds c c t ( n β) c Eˆ ( ω), 3 R de kin dt R β R [ n {( n β) v& }] Eˆ ( ω) q a 3 3c π (, β) E( t) iωt dt

76 相対論的 Baming 静止系等方放射角度のローレンツ変換 ' ' βµ β µ µ + + / ' ' ' ) (, ' ' ' ) ( 4 4 rciv 3 4 mit Ω Ω Ω Ω d dt de dtd de d dt de dtd de βµ βµ

77 普通のシンクロトロン放射 γmc B R L / γ t t ω obs typ s c mc B t / γ 3γ B mc θ / γ s R γ L

78 シェルの厚さ ( v v ) ( ) v v R / c R / f f s s t s シェル内の速い部分 : 遅い部分 : f s 前に導いた放射時間の関係 / R ct

79 光子エネルギー密度 シェル幅 R c t しかしこれはローレンツ収縮している R c t 3 R V 4πR 4π 4πR c t L t プラズマ静止系では プラズマ静止系での体積 ガンマ線の総エネルギーはだが これもローレンツブーストされてる プラズマ静止系でのエネルギー エネルギー密度は E / V U t がキャンセルして 注 : シェルが R E E / L t / L 4πcR より薄ければ もっと大きくなれる

80 典型的なパラメーター ΔRR/ R R 0 4 cm, 300, L 0 5 rg/s Photons: Luminosity L In th comoving fram Enrgy Dnsity: Magntic Fild: U 4π L cr 3 0 B 0. 8πU 8600 G 7 rg/cc

81 典型的な電子のエネルギー 放射はシンクロトロン放射だと思われる ε pak hb m c γ m 電子のローレンツ因子 kv U rg/cc B 0. 8πU γ m G ε pak 光子エネルギーの 0% が磁場だと仮定しても 電子のローレンツ因子は 3000 が必要とされる

82 内部衝撃波合体描像早いシェルと遅いシェルの衝突エネルギー保存 m int s r s s r r ) / ( c E M M M M 運動量保存 ) / ( m int s r s s r r c E M M M M s s r r s s r r m M M M M + + / / もし mass が同じなら s r m 内部エネルギー r M s M r s m

83 エネルギー解放効率 効率 f ( M r r E / m int r s / s + M ss ) c + r / s r 等質量 If r / s f0.057 r / s 0 f0.43 r >> s 00 に 000 のシェルをぶつけるイメージ

84 ショックをまじめに解くなら + r s s r rl 衝突前の二つのシェルの相対ローレンツ因子 Shockd Rgion 3 4 F R r n s n ( ) ( ) r R p R 3 4 n n m c n n n

85 電子の γ m は? Unshockd rgion Shockd Fram E sh m c sh Elctron Proton E p sh m p c r s rl < ~ 5, rl > sh ~ a fw + << 3000 s r

86 陽子から電子へのエネルギー輸送 shm p c Enrgy Fraction ε γ m ε ( ) p 3 0 ( ) sh m sh m Rquird Valus ε 0.5 全ての電子が加速されている?? 極限プラズマ特有の現象? Proton n n p Elctron

87 典型的な電子のエネルギー p p n d n n γ γ γ γ m 0 ) ( m p n p c m d c m n γ γ γ γ γ ε m 0 ) ( m ) ( 60 ) ( sh sh p m ε ε γ m m p p 数密度エネルギー密度

88 小さな加速電子の割合 sh m p c Elctron γ m p p 3 m εsh >> 0 m n,acc n この場合は小さな磁場で良い Proton n << n p Thrmal いずれにせよ 大きな光度から 衝撃波で散逸されたエネルギーは効率よく電子に運ばれると考えられている しかしそのメカニズムは謎

89 磁場の起源? Wibl 不安定性 PIC シミュレーション 背景磁場無し Kato & Takab, ApJ, 008, 68, L93 イオン数密度 磁場 背景磁場なし

90 Wibl 不安定性のメカニズム 電子軌道 y B z 電流密度 正味の電流密度 電子ビーム B z 磁場の揺らぎ B z x y B z 不安定性 x B z 電流により 最初の揺らぎを大きくする方向の磁場が作られる 電子だけが動くと考える 加藤恒彦氏スライド

91 ダイナモによる磁場生成 井上剛志氏スライド B t ( v B) 乱流のエネルギー 磁場のエネルギー

92 強磁場ジェット? 小さな磁場を仮定すると 電子のローレンツ因子を大きくしなくてはいけない 最低この程度 0 4 G 4 cm の磁場が必要だろう 外部座標系での磁場 :B>0 6 G 中心エンジンの大きさは恒星質量ブラックホールだと思えば 0km0 6 cm 程度 B R 0 4 G 強磁場エンジンが要求される そうでなければ 放射領域で磁場が増幅されているはず ちなみに 0 5 rg のジェットを磁場で打ち出すためには 00km スケールに 0 6 G の磁場が必要

93 冷却時間 B 8600 G, γ m 3000 E E& πmc s σ B γ T m << t あっという間に冷える この γ m 3000 は何で決まっているのか? 少なくとも加速時間はこれより短い時間スケールのはず t acc ξr L / c ξ3000m c / ξ s

94 Powr-law 電子からの放射 n γ (ε) /3 ε n (γ) γ p ε ( p +)/ ε hb m c γ ε

95 冷却の影響 電子のローレンツファクター γ& γ n(γ) 電子の分布 γ- 空間での連続の式 ( ( )) γ& n γ n &( γ) + n& ( γ) inj γ 定常 n& p ( γ) γ n( γ) inj γ ( p+ ) γ

96 冷却の影響 ~ 低エネルギー側 電子のローレンツファクター γ& γ n(γ) 点で Injction γ- 空間での連続の式 ( ( )) γ& n γ n &( γ) + n& ( γ) inj γ 定常 n& ( γ) δ( γ γ ) n( γ) inj inj γ γ inj γ ( 両辺を積分 )

97 Effctiv な電子の分布 n(γ) γ c : p n& (γ) γ for γ γ m inj 冷却時間 Dynamical な時間スケールとなる γ p γ n(γ) γ γ ( p +) γ ( p +) γ m γ c Slow Cooling γ γc γm Fast Cooling γ

98 Photon のスペクトル f n / ε Fast / 3 / p / f n / ε / 3 Slow p p / 自己吸収 νa νc Prompt Emission Early Aftrglow νm νa νm νc Aftrglow

99 予想されるブレークエネルギー シンクロトロン放射 r r / / s s 0 sh sh.08 E.57 brak hqb m c γ m E brak ( sh ) なので ブレークには大きな分散が期待される

100 独立な Shll が光ってるはずなのに

101 残光

102 いつ衝撃波が発達するか? 真空なら 一定で shll が移動するだけ Shll 静止系 下流では粒子 個当たり (-)mc の熱エネルギーをもらう c/3 上流 :

103 残光放射が始まる半径 粒子 個当たり (-)mc の熱エネルギーを持った流体が ローレンツ因子 で流れてくる 星間物質静止系 Shock 面 sh 衝撃波は質量 M のガスに Mc のエネルギーを与える 元々のOutflowのエネルギーが EMc であれば M/の質量を掃き集めたとき Outflowはヘタり始める 衝撃波の形成 M E 3 n ISMmpc R 典型的にはR d d 0 6 cmくらいか c

104 Blandford & Mck 解 相対論的な場合 光速度 c が入ってくるので 面倒 Jump Condition から 観測者から見たシェルの密度 n sh 4 nism 質量保存から 4π R 3 3 n ISM 4πR n sh R 4 sh 4 nismmpc n ISM R n sh

105 Blandford & Mck 解 断熱を仮定 E sh 4πR R 3 R 4πn 3/ const. ISM 3E m c t p 3/ Photon R cδt t obs R 4 c Obsrvr

106 Shock propagation: Blandford-McK(976) 3/8, /8 /8 5 / /, 4 / 4 / / 9 3 cm π π h obs obs p h obs p obs t n E t c nm E t n E nc m Et R p ISM π m c n E R に obs ct R をかけて /4 乗根観測量との関係

107 正確な Blandford & Mck 解 R 3 4πn ISM 3E m c R p 3/ t 3/ は前と同じだが 流体の式より ( r) n ( R) χ ( R) n ( R) n / ISM ISM χ 7 / 4 m c p χ χ + 6ξ 9/ ξ r R

108 典型的な振動数 γ p p 3/8 m ε ( ) 60 ( ) obs ε t p m Comoving 系 m 4n m c, ε B ISM p B B / 8π, B t / 3/8 obs シンクロトン放射による冷却では 3mc R tcool tdyn γc 4σTBγ c 6εBσ qb 光子のエネルギー ν γ t πm c ν ν m c ε ε / B ε /3 B E E / 5 / 5 t n 3/ d t T 3/ 4 obs Hz / d 3m m c p γ Hz 3 n ISM t obs t /8 obs 7 / 6 tq 0εB εe5n days

109 Maximum Flux Comoving n B 4n / F ISM max, P max de dtdε NP 4n max max ISM m p c n V 3 3 B sin α πhmc B, V R R 3 3 /, const. Tim-dilation で / 光子到達時間差で Fast Cooling Slow Cooling

110 Photon のスペクトル f n / ε Fast / 3 / p / f n / ε / 3 Slow p p / 自己吸収 νa νc Prompt Emission Early Aftrglow νm νa νm νc Aftrglow

111 Aftrglow の観測 GRB 日後 Radio Optical X-ray

112 Flux Dcay > > > > ν ν m 4 )/ (3 c m 4 / / 6 ν ν ν ν ν p c t t t F > > > > ν ν c 4 )/ (3 m c 4 )/ 3( / ν ν ν ν ν p p m t t t F Fast Cooling Slow Cooling days 0 5 n t E B m c ε ε

113 ジェットブレーク 音速 c/3 0.5 で横に広がる (comoving) Rθ 0 t c / 3 tc / R / θ / 0 Stank t al. 000

114 急激な減速 4πn R 3E E iso θ 0, Eiso 3 mpc R0 θ ISM R 0 const. d dr j j 0 より E E j Mc const. M / d dm E j dm, 3/ dr M dr c dr d R nismmpc π dr E 3 l jt と近似すると xp / j / c R 0 4πR R l jt l n jt ISM, m l p jt 3Ej 4πnISMmpc /3 開き角度 で広がる 急激に減速するので 上の近似は良い近似

115 Jt Brak 後の減光 ν t obs m R c qb γ max ν 3 qb m c obs γ, 4 m tobs c c πmc π 4 Collimationの効果 ν c tobs 3 4πR( t) nism / N, B, S πd Slow Cooling F 3 NB / S R t R R R γ γ γ /3 p p / t t t obs γ c const. /3 obs p obs t p obs 3 obs t Bamingの効果 Jt-Brak 前にも本当はあった でも結局 Collimationと相殺

116 ジェットブレークシミュレーション Zhang & MacFadyn

117 だいたい OK

118 Swift 以前

119 Swift 以後 f X t α Nardini t al. 009 Racusin t al. 009

120 X 線フレア GRB 05050B Short GRB Barthlmy t al. 005 Falcon t al. 006

121 レポート課題. 半径 0 6 cm 総エネルギー 0 50 rg の火の玉がある パラメータ ηe tot /Mc を大きくすれば最終的な は大きくなる傾向があるが それには上限がある 上限の を求めよ. 初期条件として半径 R i から で膨張しているシェルがある シェルの厚さを R i / とした時 Comoving 系で速度 v のショックが前から後ろに伝播している ショックが完全にシェルを横断したとき 放射が終わるとする 放射の終わる半径を求めよ 速度 v0.c の場合と v~c の二通りで考えよ ただしシェルの厚さは一定とする 3. 球対称に相対論的速度で膨張する薄いシェルがある Comoving 系で等方に放射があるとすれば 半分の光子はシェルの後ろから出て行くことになる しかしこの光子の運動方向を外部観測者系に変換すると 多くの光子は前に運動している この一見した矛盾を解きほぐし 一旦シェルから出た光子の定性的な軌道を論ぜよ 4. エネルギー ε の光子が等方に飛び回っている輻射場にローレンツ因子 γ の電子が飛び込んできた この電子に逆コンプトン散乱を受けた光子の平均エネルギーは幾つか? ただし電子静止系で光子は等方に散乱されるとする 5. 講義では等質量の場合について合体後のシェルの と効率 f を求めた 等エネルギーの場合について同じ計算をせよ 6. ジェットを正面から見た時 最初はこちらに向かってくるジェットからの放射しか見えない しかし反対側へ飛んでいるジェットからの放射も ジェットの速度が非相対論的になった時に見えてくる このカウンタージェットからの放射が見えはじめる時刻を求めよ 7. 星間ガスの密度分布が n ISM R - の時の残光の振る舞いを求めよ 特に ν m ν c について講義と同様の関係を求めよ

122 未解決問題と 代替モデル

123 ブレークエネルギーの奇妙な相関 E p ~L iso / E p ~E iso / Yontoku(03) Ghirlanda+(08)

124 Short はやはり別種族か?

125 低エネルギースペクトルの問題 低エネルギーでは冷えた電子からの放射が卓越するはず n γ E.5 仮に冷えなくてもシンクロトロン放射には限界 n γ E / 3 Thortical Prdiction Limit from synch.-thory がある

126 標準的な描像 ショック面 冷え切った電子が下流に流されていく 単調に放射冷却しながら下流に流れていく 上流 冷却終了 電子の加速領域ほぼ Prompt Injction

127 代替モデル 逆コンプトン散乱 種光子はシンクロトロン (Liang 997, Liang t al. 997) 種光子は自己吸収されたシンクロトロン (Ghisllini & Clotti 999; Panaitscu & Mszaros 000;Kumar t al. 006) 種光子はThrmal 成分 (Mszaros & Rs 000; Mszaros t al. 00; P r t al. 005, 006) Jittr 放射 電子が冷えなければ OK だが冷えるのでやはり駄目

128 cm Asaf P r and Bing Zhang 006 / 0. c ω p cm 電子は冷えず 放射せず そのまま下流へ 偶然の一致? 磁場が消えるスケール 電子が冷えるスケール >0 0 cm

129 冷却過剰になると駄目 0-5 νf ν B300 G, γ,m 3900, t c 0.0 s, l/c30 s, t c ε.5 t c ε 0. t c t sim 0.0 t c ε [V] 磁場が消失すると考えるのは悪くないが

130 二次加速 E θ θ β ξ E E γ ( βcos θ + βcos θ β cos θ cos θ ) cos θ 0, cos θ β / 3 ξ ( ) + β / 3 4β / 3 for << γ β 相対論的なガスの音速 β / 3 ξ / 3

131 Canonball モデル 星表面 000 V 光子 BH τ V MV

132 Photosphr モデル Firball が加速の途中で晴れ上がる 大部分のエネルギーが輻射として放たれる Firball の初期温度がそのままピークエネルギーに Ioka t al. 007 Mszaros & Rs (000) tc.

133 Nakd Ey GRB GRB 08039B

134 Nakd Ey のスペクトル

135 Nakd Ey の残光

136 二成分ジェットモデル

137 ホストは本当に超新星か? GRB z rg 超新星が見えない!? 56 Ni<8 0-4 Msun

138 可視偏光の検出 GRB 0900 t60s 以後 f t -.5 0% の偏光! Rvrs Shock 起源?

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