감마선 폭발의 비밀: GRB090902B의 광구 가열 분석

1. GRB 090902B의 서브포토스퍼릭 가열: 페르미 관측을 통한 GRB090902B의 분석 및 모델링

저자:

• T. Nymark, M. Axelsson, C. Lundman, E. Moretti, F. Ryde (스톡홀름 왕립 공대 물리학부)
• A. Pe’er (하버드-스미소니안 천체물리학 센터, 미국 매사추세츠 주 케임브리지)

요약:

본 연구에서는 GRB 090902B의 스펙트럼 진화를 분석하고 서브포토스퍼릭(subphotospheric) 가열이 스펙트럼 및 그 변화에 대한 설명을 제공할 수 있음을 보여줍니다. GRB의 광구에서 발생하는 방출은 다양한 스펙트럼 형태를 가질 수 있습니다. 이는 플랑크 함수 형태(관측된 GRB 090902B의 첫 번째 반) 또는 밴드 함수 형태로 넓어질 수 있습니다(두 번째 반). 이러한 형태는 제트 내 가열의 강도와 위치, 열 광자와 전자의 에너지 밀도 비율, 그리고 자기장 세기에 따라 달라집니다.

서론:

감마선 폭발(GRB)의 급성 방출은 40년 이상의 관측에도 불구하고 완전히 이해되지 않았습니다. 가장 널리 받아들여지는 모델은 불볼(fireball) 모델로, 상대적으로 빠르게 팽창하는 불볼에서 발생하는 가열에 의해 방출이 발생한다고 설명합니다. 이 모델은 광구에서 발생하는 열적 성분 예측하며, 이는 처음에는 투명하지만 이후 옅어지는 흐름으로 인해 나타납니다.

초기 가정으로는 이 성분이 플랑크 함수를 닮았을 것으로 예상되지만, 이는 상대론적 및 기하학적 효과로 약간 변형될 수 있습니다. 그러나 대부분의 GRB 스펙트럼은 밴드 함수에 더 잘 맞으며 흑체 복사 특성을 명확하게 나타내지 않습니다. 반면, 몇 개의 폭발에서는 플랑크 유사한 스펙트럼이 관찰되었으며, 여러 사례에서 비열적 방출과 함께 서브도미난트(subdominant) 열 성분이 존재한다는 증거가 있습니다 (예: GRB 110724B [10]). 이러한 결과로 GRB 스펙트럼에 광구 방출의 존재 가능성에 대한 관심이 다시 높아졌습니다.

비열적 성분:

GRB 제트 내 가열은 불변이며, 고에너지 꼬리 부분이 포함된 비열적 스펙트럼을 나타냅니다. 가열 과정의 본질은 아직 알려지지 않았지만, 가능한 시나리오로는 다음과 같은 것들이 있습니다:

• 자기 재결합: 포이트링 플럭스 지배 제트에서 발생하는 [11],[12],[2]
• 내부 충격파: 충돌하는 껍질과의 충돌로 인해 발생하는 [13], [1]
• 충돌 가열: 입자 간의 충돌에 의한 [6]

가열의 위치 또한 불분명합니다. 내부 충격파 시나리오에서는 서로 다른 로렌츠 팩터를 가진 껍질의 충돌로 인해 주로 옅은 영역에서 충격파가 발생할 것으로 예상됩니다. 기울어진 충격파는 아래 광구에서 가열을 유발할 수 있으며, 이는 관찰 스펙트럼에 영향을 미칩니다. 본 연구에서는 이러한 서브포토스퍼릭 가열에 초점을 맞춥니다.

수학적 모델링:

…(본문이 길어 생략되었습니다. 전체 내용은 원문 PDF를 참고하세요.)…