コラプサー起源のガンマ線バーストジェッ
トからの熱的放射	
Akira MIZUTA(KEK)
AM, Nagataki, Aoi(ApJ, 732 26, 2011)
AM + (in prep)

超新星爆発と数値シミュレーション	
＠京大 2011.12.28

GRBと超新星爆発 	
GRBの直後に大質量星の最期、	重力崩壊型超新星爆発が見つかる.
ex. GRB980425/SN1998bw,
GRB030329/SN2003dh
XRF060218/SN2006aj.
GRB091127/SN2009nz
XRF100316D/SN2010bh

Spectrum :after a few days
~ after a month from the burst

power law
: afterglow

timeExplosion
energyMazzali et al. (2006)

Progenitor
mass
GRBの少なくとも一部は特異な超新星爆発を起源とする	

SN componentappearsλ(A)Spectrum of GRB prompt emissionBand function: Broken power-law
Eα+2α~ -1

Eβ+2E3

GRB090902B
Abdo+(20009)
GeV component

Planckian
GRB990123 Briggs et al. (1999)
単純なファイアボールの膨張では	熱的放射は1温度のスペクトルが	期待される(Tobs=Tlocal Γ=const)
熱的放射は効率が良いが	スペクトルの再現等で問題がある	Spectrum fitting function
Band function (Band et al. 1993)

1１温度Planck

GRB090902B

GRB090902B(Ryde + 2011)
1１温度Planck

典型的なGRB

GRB090926B

低エネルギーピーク 	
ハードなスペクトル(Planck like)
Planck 分布	

MAXI

Fermi/GBM

Rayleigh-Jeans tail ?

Serino et al. (2011)

Photospheric モデル	●流体 ‒ 球対称、定常	+Monte Carlo simulation (photon transport)
Pe'er (2008, 2011),Beloborodov(2010)●流体シミュレーション	＋	ポスト計算（τ＝１からの黒体放射）	
Lazatti +(2009,2011) Nagakura + (2011)
Mizuta+ (2011)
ジェット状の爆発で	熱的放射はどのように見えるのか？	
光度曲線、スペクトル	
視線方向依存性	Non-thermalParticle injection

Beloborodov(2010)

Pe'er (2011)

Lj=5.e50 erg/s [0:100s] Opening angle 10 degrees
Γ0=5, ε0/c2=80 (h0~106) Γ_max~h0Γ 0(Bernoulli's principle)

2D (r x θ) axisymmetric, progenitor 14_sum,R*=4.e10cm (Woosley & Heger(2006)) + wind (r>R*) ρ ∝ r-2
2D-rela- hydro code(constant specific heat ratio=4/3)
Mizuta et al. (2004,2006) + MPI

Lj=5.e50 erg/s [0:100s] Opening angle 10 degrees
Γ0=5, ε0/c2=80 (h0~106) Γ_max~h0Γ 0(Bernoulli's principle)

2D (r x θ) axisymmetric, progenitor 14_sum,R*=4.e10cm (Woosley & Heger(2006)) + wind (r>R*) ρ ∝ r-2
2D-rela- hydro code(constant specific heat ratio=4/3)
Mizuta et al. (2004,2006) + MPI

log10(ρ/cm^3)
BackflowΓinternal shocks

Shock-breakInteraction between
jet and progenitor
envelopes.
High pressure cocoonconfinement anda bent backflow
enhance theappearance
of internal obliqueshocks.
The jet includes
knotty structure.

AM, Kino, Nagakura('10)

log10(ρ/cm^3)progenitor

Expanding cocoon
Expanding envelopesΓ
jetAfter shock-break I
r~10^11cm
ジェット先端ではブレイク前、ブレイク直後での親星外層との相互作用で絞られ、ジェット内部に不連続構造を形成〜親星の半径の10倍程度のスケールまでジェットは自由膨張できないlog10(ρ/cm^3)

After shock-break II
r~10^12 cm
Free expanding region
で最大ローレンツ因子~500(=Γ0*h0=533)
dissipated region
速度ベクトル// z 軸ΓBubbleRecollimation shock dissipated

Cold Bullet
free expansion
no dissiparion

Free expanding region
速度ベクトル// 動径方向θ＝0
θ ＝5θ ＝101/beaming factor ~ 1/Γ (for β // n: LOS)

Light curve

Dissipated region

Free expandingregionΓdissipatedBullet

Duration of light curve ~ jet injection.
A few seconds time variability in early phasecaused by internal discontinuity in the jet.

Duration / initial half opening angle
θ0=10degrees
100s injectionΓCold Bullet
free expandion

θ0=10degrees
30s injectionΓΘ0=5 degrees
30s injection

θ0=5degrees
100s injectionΓCold Bullet
free expansion

ΓLight curves
OA10[0:100s]

OA10[0:30s]
初期の振る舞いは	100s 注入と変わらない	
Off-axsiでは後半での	増光がなくなある	

OA05 [0:100s]

OA5[0:30s]Lj=5.e50 erg/s [0:100/30s] Opening angle 10/5 degrees
Γ0=100, h0~5.3@rmin=109cm Γ_max~h0Γ 0(fixed)θ0=10degrees
100s injection

θ0=10degrees
30s injection

θ0=5degrees
100s injection

θ0=5degrees
30s injection

much narrower structure	Light curves

OA10[0:100s]

OA5[0:30s]OA05 [0:100s]

Spectrum by numerical hydrodynamics

Index~1(a=-1)

index~2.5(a=-2.5)

Rayleigh-Jeans tail ?
GRB090926B

θ0=10degrees
100s injection

高エネルギー成分は	IC等の非熱的な叩き上げが	必要	

Numerical Amati Relation
GRB は z>1 での距離指標？ 	
スペクトルの	ピークエネルギー	

Eiso2
∝Ep

小Amati 関係式	(Amati 2002,2006)

大等方放射を仮定した時の全放射エネルギー	
統計的解析から得られた経験則	Numerical Yonetoku Relation is also found !!

小大

Yonetoku et al.
2004

Liso_p∝Ep2

Summary
コラプサーからのジェットはブレイク前、直後の親星との	相互作用で生じる内部衝撃波に起因する密度、ローレンツ因子が不連続に分布する dissipated region (星の半径 x 10倍程度)を形成	
速度ベクトル // ジェット軸	
明るい、秒スケールの時間変動 for on-axis observer
更に注入が続くと、Free expanding 構造が形成される	速度ベクトル // 動径方向	
明るい for off-axis observer
視線方向、ジェット継続時間で様々なタイプの光度曲線	
Spectrum – off axis になるほどソフト（Planck like – Band like)	
Numerical Amati and Yonetoku relations(数値流体シミュレーションで経験則の物理を解明できるか？