Fermi衛星による GRB研究の成果 Feb. 7, 2011 @ 東工大 (領域シンポジウム) Tsunefumi Mizuno (Hiroshima Univ.) On behalf of the Fermi-LAT/GBM collaboration

The Fermi Observatory (2008-) LAT : 対生成型ガンマ線望遠鏡 トリガ、位置決定、スペクトル取得 20 MeV – 300 GeV GBM :広視野バーストモニタ 12 NaI トリガ、位置決定、スペクトル 8 keV – 1 MeV 2 BGO スペクトル 150 keV – 40 MeV ~2.4 sr Fermi衛星の観測装置のまとめ LATは高いエネルギーの観測を担う GBMはシンチレータを用いた広視野ガンマ線バーストモニタ GBM+LATで6桁に渡るスペクトル取得 ともに視野が広く, 特にGBMは全天の半分以上をカバー 検出されたGRBの方向にLATの視野を自分で向ける ~8 sr

Fermi GRBs as of 100804 打ち上げ後２年で 514 GBM GRBs (約半数がLATの視野内) 18 LAT GRBs ~0.7/日 ~0.7/月 ほぼ予想通り (Band+ 09) 08年6月に打ち上げ。科学観測を8月に開始 観測開始後２年でのGRB観測のまとめ 500個のGRBを検出 18個から100MeV以上のGeV光子 黒は全GRB,赤はLATの視野内,青はGeV光子 2011年1月の時点で11編の論文 (LAT全体は117編) うち６編は日本人が執筆責任者

Burst Advocate 日米欧で１日２４時間, 週７日をカバーする「当番」 執筆責任者として論文を担当. 若手や院生の活躍の場. ISAS/JAXA (大野, 田中康, 佐藤理) 広島大学 (高橋弘, 上原, 花畑) 東京工業大学 (下川辺, 中嶋, 森, 戸泉, 榎本) 早稲田大学 (中森) BA = GRB「当番」 LATのGRBデータを速やかに解析 日本グループBAリスト 当番中に起きたGRBをGCNへ投稿 執筆責任者として論文を担当 LATデータ地上プロセス (downlink+数時間) 最終位置, イベント数など (1st circular) 位置, スペクトル解析 (2nd circular) Burst Advocate による解析

Long-lived HE emission Extra spectral component Summary of LAT GRBs 2009年9月までのまとめ ✔:あり　　X:なし　?:ヒント GRB Duration # of events > 100 MeV # of events > 1 GeV Delayed HE onset Long-lived HE emission Extra spectral component Highest Eg Redshift 080825C long ~ 10 ? ✔ X ~600 MeV 080916C 145 14 ~13.2 GeV ~ 4.35 081024B short 2 ~3 GeV 081215A — 090217 ~1 GeV 090323 ~ 20 > 0 3.57 090328 0.736 090510 > 150 > 20 ~31 GeV 0.903 090626 090902B > 200 > 30 ~33 GeV 1.822 090926 > 50 ~20 GeV 2.1062 09/09時点でのLATで見たGRBのまとめ 色をつけたのは「GeVで明るいバースト」

Long-lived HE emission Extra spectral component Summary of LAT GRBs 2009年9月までのまとめ ✔:あり　　X:なし　?:ヒント GRB Duration # of events > 100 MeV # of events > 1 GeV Delayed HE onset Long-lived HE emission Extra spectral component Highest Eg Redshift 080825C long ~ 10 ? ✔ X ~600 MeV 080916C 145 14 ~13.2 GeV ~ 4.35 081024B short 2 ~3 GeV 081215A — 090217 ~1 GeV 090323 ~ 20 > 0 3.57 090328 0.736 090510 > 150 > 20 ~31 GeV 0.903 090626 090902B > 200 > 30 ~33 GeV 1.822 090926 > 50 ~20 GeV 2.1062 GeV領域の共通する新しい特徴 高E放射開始がのきなみ遅れる 長く続くExtended Emissionが多数 Band function以外の成分の発見 Fermi以前は知られていない or 例数が足りない 100 MeV以上で共通する新しい特徴

What we can get from HE emission プロンプト：放射開始の遅れと超過成分 別起源の放射 (IC, SSC, ハドロン成分) 長寿命の放射 また別の放射 (可視, X線残光との関連) 最も高いエネルギーのガンマ線 ジェットのLorentz因子に制限 (+量子重力理論や可視赤外背景放射モデルへの制限) これら高E放射で分かること 以下は観測成果を紹介

Delayed HE onset LAT GRBのほとんど(5/6)で高エネルギー放射開始の遅れ GRB 090510 (short) GRB 080916C (long) Abdo et al. 2009, Nature 462, 331 Abdo et al. 2009, Science 323, 1688 8-260keV 0.26-5MeV LAT all events >100 MeV まず高エネルギー放射開始の遅れ Fermi以前は知られていない 2つのGRBのエネルギー毎のライトカーブ 右：最初のGeVで明るいGRB 080916C 左：最初のGeVで明るいshort GRB 090510 (低E->高E) 右図:第一パルスは低Eのみでみられる >1GeV Delay in HE onset: 0.1-0.2 s Delay in HE onset: 4-5 s LAT GRBのほとんど(5/6)で高エネルギー放射開始の遅れ

Extra PL Component 低Eでの初めての超過成分 Fermiで見つけた最初の例 (ICと相容れない) GRB 090510 (short) GRB 090902B (long) Ackermann et al., ApJ 716, 1178 (2010) Abdo et al., ApJL 706, 138 (2009) 先ほどのshort GRB: 超過成分のFermiでの最初の例 Band functionに加えてPL成分 090902B: 高Eと低E双方での超過 これらを含め都合３つのGRBで超過成分 1 MeV 1 GeV Fermiで見つけた最初の例 低Eでの初めての超過成分 (ICと相容れない) 3つのLAT GRBからextra PL 成分を検出 (090510, 090902B, 090926A) (起源は未決着. Lepton/hadron/early afterglow)

Ackermann et al. 2011, ApJ accepted Extra PL w/ Cutoff GRB090926A Ackermann et al. 2011, ApJ accepted nFnスペクトル (3.3-21.6 s) nFnモデルスペクトル l ~ 1.7, Ef ~ 400MeV GBM+LAT 1.4 GeVにcutoff (>4s) --- : 0.0-3.3 s --- : 3.3-9.7 s --- : 9.7-10.5 s --- : 10.5-21.6 s 1 GeV HEでのcutoffの検出がFermiに期待されていた プロンプトの超過成分に明確なcutoff Ef=400 MeV => Gamma=700 1 MeV 1 GeV Cutoffがgg -> e-e+によるとするとG~700 (JetのLorentz因子を初めて求めた)

Long-lived GeV Emission GRB090510 triggered by Fermi-LAT/GBM and Swift-BAT aopt~ -0.5 UVOT aopt~ 1.1 aX~ 0.7 XRT aX~ 2.2 LAT ag~ 1.4 プロンプト以外 長い寿命の放射も多く検出 GRB090510: Fermi & Swift同時観測 各バンドのライトカーブ 1 s 100 s 10000 s De Pasquale et al., ApJL 709, 146 (2010) T0+200 sまでの長寿命GeV放射 bg ~1.1でほぼ一定のスペクトル 長いGeV放射も共通して見られる (9/10)

Long-lived GeV Emission GRB090510 triggered by Fermi-LAT/GBM and Swift-BAT UVOT XRT LAT b1 = -1/3 (fix) b2 ~ 0.8 b3 = b2+1/2 T+100s T+150s T+1000s T+7000s T+12000s Forward shockモデルでスペクトルは再現可能 時間発展を説明するには、理論の拡張が必要 可視~X~ガンマを外部衝撃波のFSで説明できるか 100s時点で同時データが取れている FSのシンクロトロン放射モデルでfitした結果 1 eV 1 keV 1 MeV 1 GeV De Pasquale et al., ApJL 709, 146 (2010)

Long vs. Short GRBs (1) Property (>0.1GeV) Short GRBs (2) Long GRBs (9) Delayed HE onset 2 out of 2 ✔ 3 out of 4 ✔ (+ 7 inconclusive cases) Long-lived HE emission 7 out of 8 ✔ (+ 3 inconclusive cases) Redshift 1 out of 2 ✔ (z = 0.903 for GRB090510) 5 out of 9 ✔ (0.74, 1.82, 2.11, 3.57, 4.35) Bright >100 (10) events >0.1 (1) GeV 3 out of 9 ✔ Gmin 1200 (GRB090510) 900, 1000 (080916C, 090902B) HE spectral component 1 out of 1 ✔ 2 out of 4 ✔ (GRBs 090902B, 090926) ３つの特質はshort GRB/long GRBに共通してみられる

Long vs. Short GRBs (1) GeV放射の性質はだいたい似通っている Property (>0.1GeV) Long GRBs (9) Delayed HE onset 2 out of 2 ✔ 3 out of 4 ✔ (+ 7 inconclusive cases) Long-lived HE emission 7 out of 8 ✔ (+ 3 inconclusive cases) Redshift 1 out of 2 ✔ (z = 0.903 for GRB090510) 5 out of 9 ✔ (0.74, 1.82, 2.11, 3.57, 4.35) Bright >100 (10) events >0.1 (1) GeV 3 out of 9 ✔ Gmin 1200 (GRB090510) 900, 1000 (080916C, 090902B) HE spectral component 1 out of 1 ✔ 2 out of 4 ✔ (GRBs 090902B, 090926) Lorentz因子の下限も同程度 GeV放射の性質はだいたい似通っている

Long vs. Short GRBs (2) Energeticsの面では Preliminary Abdo et al., ApJ 712, 558 (2010) Preliminary short 高E放射の相対強度は異なる 左：nFnモデルスペクトル。影がHEとLE 右：HEとLEのフルエンスの比較 1 MeV 1 GeV Energeticsの面では short GRBはHE/LEで同程度のフルエンス long GRBは10倍程度(shortに比べ)HE放射が小さい?

まとめ 2年で 514GRBs(GBM)/18GRBs(LAT)を検出 日本グループ, 特に若手が活躍 GeV放射の３つの特質: Burst Advocate + many papers GeV放射の３つの特質: 高エネルギー放射開始の遅れ Extra PL成分 (+ cutoff) Long-lived GeV放射 Lorentz因子に制限(Gmin~1000, G~700), Extra PL成分(+delayed HE onset)に対する多数のモデル Short GRBは高エネルギー放射が相対的に強いらしい 他に量子重力理論やEBLモデルへの制限など