近傍ガンマ線バーストの観測戦略と狙う物理	

井上進（MPIK -> MPP/ICRR）	

協力：井上芳幸 (SLAC)�ほかCTA�Japanの皆様	ガンマ線バースト (GRB)	

宇宙で最も謎めいた天体の一つ	

long GRB (T>~2s): 	

大質量星崩壊時に超相対論的速度ジェット発生	

ジェット内部から即時放射＋外部衝撃波から多波長残光放射	

W
adapted from Meszaros 01	

中心駆動天体？�ジェット形成機構？�粒子加速・放射機構？	

short GRB�(T~<2s) の起源？�宇宙論的進化？	

Fermi LATで多数のGRBから >GeV放射検出	

即時放射＋残光成分、明確なcutoffなし -> Γmin >~1000	

が光子統計不足で多くの点が未解明	

H

CTA sensitivity:� for variable/transient sources�
Funk & Hinton, arXiv:1205.0832	

有効面積 ~104 x LAT@30GeV�����短時間積分では圧倒的感度	

高速指向性能�~180deg/20sec (LST; 20 GeV-1TeV)	

-> 高速変動天体・突発天体に対して強力	GRB light curve: Fermi vs CTA	

LAT	>100	MeV�

GRB 080916C	

Abdo+ 09�

>1GeV�

S. Inoue+ 2013	

Astropart. Phys.	

43, 252	

inc.	

Yamamoto	Y. Inoue	Yamazaki	(for CTA)	

CTA	

>30GeV, 0.1 sec bin�

CTAによるGRB観測で目指すサイエンス	

GRBの起源�- 放射体運動速度の確実な測定（内部γγ吸収カットオフ）	

- 即時放射機構、残光の物理の解明	

�（多波長スペクトル・時間変動）	

F

宇宙線の起源�- 最高エネルギー宇宙線・高エネルギーν生成の兆候	�（陽子・原子核シンクトロトロン、カスケード成分…）	

観測的宇宙論�- 遠方宇宙背景放射の精査（γγ吸収カットオフ）	

- 銀河間弱磁場の精査（pair echo=二次ガンマ線）	

基礎物理学	

- Lorentz不変性破れ、新粒子への制限…	

T->

GRB spectra with CTA: GRB 080916C at z=4.3	

Mazin+ 2013	

Astropart.	

Phys. 43, 241	inc.	

Y. Inoue	

S. Inoue 	

(for CTA)	

412/1
193/3
144/1

247/1
290/1
251/2

17/1

excess/bkgd
701/5
953/5
425/4
611/7

GRBスペクトル -> high-z EBLの進化 -> 宇宙星形成史・QSO活動史	physics with nearby (z<<1) GRBs	

limited EBL absorption -> intrinsic spectral features	
prompt emission	 bulk Lorentz factor, jet physical conditions,Ž. Bošnjak et al.: Prompt
HE emissionmechanism,
from GRBs in thehadronicinternal shockprocesses…	

modelemissionBulk Lorentz factor

Fraction of energy
injected in the magn. fieldContrast

Bosnjak+ 09	
Injected kinetic power

Variability timescalephysics with nearby (z<<1) GRBs	l

GeV-TeV:	

transition region	

between sync., SSC	

Wang+ 10	lsion inl

afterglow	 particle acceleration in relativistic shocks	

ENERGY AFTERGLOW EMISSION OFGRBs
1237conditions (hadronic processes?)	
shockphysicalFigure 4. Calculated spectral energy distribution of the afterglow emission in

GRBだより	

Fermi LAT	

080916C, 090510, 090902B, 090926A	 “big four”	
…	130427A: >200 ph, Emax=94 GeV, z=0.3399	

130502B: >100 ph, Emax=30 GeV, z=?	

130504C: >70 ph, Emax=5 GeV, z=?	

130606B: >few 100 ph, Emax=?, z=?	

130702A: > 5 ph, Emax=1.5 GeV, z=0.145	

nearby (z<0.5) GRBs	

130427A	

130603B z=0.3564 (short, “kilonova”)	

130702A	

130831A z=0.4791	

“Goals are like ketchup.	

When they come, they comepouring out in bunches.”	

「ゴールはケチャップの	ようなもの。出る時は	ドバドバ出る」	

“GeV GRBs are like ketchup.
When they come, they comepouring out in bunches.”	

「GeV GRBはケチャップ	のようなもの。出る時は	ドバドバ出る」	

“Nearby GRBs are like ketchup.
When they come, they comepouring out in bunches.”	

「近傍GRBはケチャップ	のようなもの。出る時は	ドバドバ出る」	

GRB 130427A	 “Shockingly bright” burst 	

z=0.34, Eiso~8x1053 erg, T90~138 sec	

GRB 130427A: Fermi LAT	

Tam+ 13 (arXiv:1305.3217)	
- photon index ~-2.0, hard excess at highest E	- decay index ~-1.0, no evidence of break?	

GRB 130427A: broadband afterglow spectra	

10−110

Perley+ arXiv:1307.4401	

−210−310−4

Flux (Jy)10−510−610−70.007 d0.023 d0.07 d0.23 d0.7 d2d4.5 d10 d30 d60 d10−810−910−1010−1110−121091010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023 1024 1025
Frequency (Hz)- evidence of reverse shock in optical -> radio bands	

- LAT flux consistent with extrapolation of synchrotron emission	GRB 130427A: broadband afterglow light curves	

E1

10E2E3E4E5E60E7E8E9E10

Perley+ arXiv:1307.4401	

10−110−2VLA 5.5 GHzUVFlux (Jy)

10P60/TOT
10180/G0nm
RO−3BAT

10−415−5XRT0keV

10−50.2−10kUK

IR0.6µm

T/GRONDCAR2µMA90 GHzmeVLA
T0.1−2GeV

10ND

(x10)

−6(x1000)LA

10−7T2−100

GeV(x100100)−810−310−210−1100
Time from GBM trigger (d)101- evidence of reverse shock in optical -> radio bands	

- no evidence of jet break until at least 50 days	

102103

GRB 130427A	Au calme clair de lune triste et beau… - P. Verlaine	悲しく美しいあの月の光の静寂に…	

One more moondance with you in the moonlight	

on a MAGIC night… - V. Morrison	E2 dN/dE (TeV cm -2 s-1)

GRB spectra with CTA: GRB 130427A (z=0.34)	

-7 (E/TeV)-2.0 ph/cm2/s/TeV	
t=100s:dN/dE=0.9x10
-7

10-8

10-910texp=50s	

array E	

alt. 2000m	

no cutoff	

EBL models	Intrinsic spectrum
Expected spectrum (Kneiske+’04)

-10

10

Expected spectrum (Franceschini+’08)
Expected spectrum (Finke+’10)
Expected spectrum (Gilmore+’12)
Expected spectrum (Y.Inoue+’13)-11

100.010.020.1

0.2 0.3

123 4 5 6 7 10energy E(TeV)~81000-110000 photons, significance ~280-340 sigma	

array B+3700m -> ~134000-155500 photons	E2 dN/dE (TeV cm -2 s-1)

GRB spectra with CTA: GRB 130427A (z=0.34)	

-7 (E/TeV)-2.0 ph/cm2/s/TeV	
t=100s:dN/dE=0.9x10-710-810

texp=50s	

array E	

alt. 2000m	

-910-1010breaks at 0.1,0.3,1 TeV 	Intrinsic spectrum
Expected spectrum (No cutoff)
Expected spectrum (E_cut = 0.1 TeV)
Expected spectrum (E_cut = 0.3 TeV)
Expected spectrum (E_cut = 1 TeV)

-11100.01

0.02

0.10.2 0.3

123 4 5 6 7 10energy E(TeV)~43000-110000 photons, significance ~210-330 sigma	

GRB spectra with CTA: GRB 130427A (z=0.34)	

E2 dN/dE (TeV cm -2 s-1)

t=1 day: dN/dE=0.9x10-10 (E/TeV)-2.0 ph/cm2/s/TeV	
-1010-111010-12

texp=3 hr	

array E	

alt. 2000m	

cutoffs at 0.1,0.3,1 TeV 	Intrinsic spectrum-1310Expected spectrum (No cutoff)
Expected spectrum (E_cut = 0.1 TeV)
Expected spectrum (E_cut = 0.3 TeV)
Expected spectrum (E_cut = 1 TeV)

0.01

0.020.1

0.2 0.3

12~2000-8400 photons, significance ~30-80 sigma	

array B+3700m -> ~8500-10000 photons	

3 4 5 6 7 10energy E(TeV)GRB spectra with CTA: GRB 130427A (z=0.34)	

E2 dN/dE (TeV cm -2 s-1)

t=10 day: dN/dE=0.9x10-11 (E/TeV)-2.0 ph/cm2/s/TeV	
10-11-1210

texp=15 hr	

array E	

alt. 2000m	-13

10cutoffs at 0.1,0.3,1 TeV 	Intrinsic spectrum

10-14

Expected spectrum (No cutoff)Expected spectrum (E_cut = 0.1 TeV)
Expected spectrum (E_cut = 0.3 TeV)
Expected spectrum (E_cut = 1 TeV)

0.01

0.02

0.1

0.2 0.3

123 4 5 6 7 10energy E(TeV)~1000-4400 photons, significance ~10-37 sigma	

array B+3700m -> ~1100-5400 photons	

detectable by current IACTs, under new Moon??	

GRB 130427A: Fermi LAT	

Liu+ 13	
light curve >100 MeV	

Fermi collaboration	evidence of break at t~500 sec?	

-> factor~3 less flux at t~10 day 	event rate: ~1/30 yr??	

SSC likely at <10 GeV	-> shallower decay	最後に一言	SN 1987Aからのニュートリノ検出�
1986年、研究会にて�
T先生：「超新星は100年に一度しか起きませんよ。	

ははは…」�
一年後の研究会にて：	

鈴木洋一郎氏：「あれ、T先生何ておっしゃいましたっけ？」�

なでしこジャパンのWC優勝�
佐々木則夫監督：	

「成功の反対は失敗ではなくやらないこと。」�

http://www-conf.kek.jp/link13/	

招待講師�
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Shinichiro Ando (GRAPPA)	

• Brian Lacki (NRAO/IAS)	

Roger Blandford (Stanford)*	 • Kazuo Makishima (Tokyo)	

Gianfranco Brunetti (INAF)	

• Paul O'Brien (Leicester)	

Joseph Gelfand (NYU)	

• Gerd Puehlhofer (Tuebingen)	

Alice K. Harding (NASA/GSFC) 	

• Anatoly Spitkovsky (Princeton)	

Fiona A. Harrison (Caltech)	

• Tadayuki Takahashi (JAXA)	

Yoshiyuki Inoue (SLAC)	

• Marco Tavani (IASF-Roma/INAF)	

Nobuyuki Kawai (Titech)	

• Masahiro Teshima (ICRR, MPP)	

Jun Kataoka (Waseda)	

• Yasunobu Uchiyama (Rikkyo)	

Dmitry Khangulyan (JAXA)	

• Meg Urry (Yale)		

Katsuji Koyama (Kyoto) 	

反則なほど良い講師陣
締切過ぎています。登録がまだの方は今すぐ！	

まとめ	- CTAは現行チェレンコフ望遠鏡より格段に高感度・低閾値	��GRBなど遷移天体について数10 GeV以上ではFermiより遥かに強力	- 近傍 (z<1) GRBの観測はGRBの物理解明に有効	

spectral break/cutoffを通じてbulk Γ、放射・粒子加速機構など	
- GRB 130427Aほどのイベントは月にもめげずに辛抱強く	��観測するべき？	

- 準備しすぎることはない。悲観的にならずにとにかくやろう！