Fermi衛星による GRB研究の成果 Feb. 7, 東工大 (領域シンポジウム)

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1 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

2 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

3 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

4 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

5 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」

6 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

7 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

8 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 C (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 C 左：最初のGeVで明るいshort GRB (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: 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

9 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 (short) GRB B (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 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, B, A) (起源は未決着. Lepton/hadron/early afterglow)

10 Ackermann et al. 2011, ApJ accepted
Extra PL w/ Cutoff GRB090926A Ackermann et al. 2011, ApJ accepted nFnスペクトル ( s) nFnモデルスペクトル l ~ 1.7, Ef ~ 400MeV GBM+LAT 1.4 GeVにcutoff (>4s) --- : s --- : s --- : s --- : 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 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)

11 Long-lived GeV Emission
GRB 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 s 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)

12 Long-lived GeV Emission
GRB 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 keV MeV GeV De Pasquale et al., ApJL 709, 146 (2010)

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

14 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 ✔ 3 out of 4 ✔ (+ 7 inconclusive cases) Long-lived HE emission 7 out of ✔ (+ 3 inconclusive cases) Redshift 1 out of ✔ (z = for GRB090510) 5 out of ✔ (0.74, 1.82, 2.11, 3.57, 4.35) Bright >100 (10) events >0.1 (1) GeV 3 out of ✔ Gmin 1200 (GRB090510) 900, 1000 (080916C, B) HE spectral component 1 out of ✔ 2 out of ✔ (GRBs B, ) 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

15 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 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?

16 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