Advanced photometric studies of gamma-ray burst afterglows [Elektronische Ressource] / Thomas Christian Krühler

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hTECHNISCHEF.UNIVERSITv.-Prof.?eiTVM?NCHEN1.Max-Plancrk-Institutersit?tf?r17.extraterrestriscr:heBurasPhGreinerysikeilitzscAamdvecancedhPhotometricf?rStudiesatiofnGamma-ranyA.BurstderAftergloDr.wsUniv.-Prof.ThomasonChristianDieKr?hlernV.2009ollrshent?ndighenerundAbFdrucysikkangenommen.deron.vorsitzeondederUFiakult?tDr.f?rJ.PhPr?ferysikDissertation:derPriv.-Doz.TJ.ec2.hniscDr.henvUnivFersit?thM?ncDissehentatiozwurdeur10.09ErlangungbdesdeakTademischnischenUnivGradesM?nceineseingereicDoktorstderdurcNaturwissenscdiehaftenakult?tgenehmigtenPhDiams11.2009sertvAbstractbGamma-raabyinsighBurstsconnect(GRBs)eareobservcosmic,erestellardate.easx,pldataosions,obtainsthatmeasuremenemitwaoftofypicalGRBamoungratpofpreseneneTrhgOND'syscaleofa3studies080710.fergcosmologyinGRBandThe-rahysanondistansthehortdeterminationtimetoscaltestroofGRB0.1astoout100devseconds.spThismenergywiswreleasedapplicationsviarapidlyshoMulti-bandchksspinonsultra-relativisticws.jetsinandandmaGRBkwsestGRBs090423,theedmostcatedl5uam1inousunivobisjectsevinONDthetheUniv08091ersemostafterharacteristicsthetheoriesBigTheBang.

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Publié le 01 janvier 2009
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TECHNISCHEUNIVERSIT?TvdieDr.M?NCHENdeMax-Plancorsitzek-InstitutPriv.-Doz.f?rtatioextraterrestriscM?nche11.2009PhUysikPr?ferA2.dvhanced10.09PhotometrichniscStudiestofPhGamma-raon.ydeBurstiAftergloJ.wsDissertation:ThomasJ.ChristianDr.Kr?hlerFVDisseollwurdesbt?ndigTerUnivAbeingereicdrucdurckakult?tderamvationVdernFr:akult?tnf?rv.-Prof.PhA.ysikBurasderderT1.ecDr.hniscGreinerhenUniv.-Prof.UnivF.ersit?tonM?nceilitzschenDiezrurnErlangungamdes.2009akeiademiscrhenecGradesheneinesersit?tDoktorshenderhNaturwissenscundhaftenhgenehmigtenFDif?rsysikse17.rtangenommen.5110


z 3
(z) = 121:6 nm(1 + z)
z = 8:3
tergne-tunederein080913amounb-ra4ysoptical/near-infraredonliscrucialhortinstrumentimeatscaltoesofof.0.1lattertoe100mostseconds.ofThisheenergynisreductionreleaseddataviaeshothecakstsintsultra-relativisticojetsbandyma3.04khenceesmeaGRBs6C.theofmoststlcubacmsinoustainsobarejectsinindatatheofUnivsersemeasureafterphotometrytheisBigectroscopicBang.toTheTheprompttheemissionpro-iphnofypicalGRBs-raforyswithisatfollocorrespweledageb620ytaFlonger-lastingdistanceafterglosow,iwhicthehcosmologycanvitbhiefollodetectedduceintsallphwoutaitsvted.elengthstherangesandfromelopradio,ogetheroptical,ectraltonergies,X-ulti-wandallotph-rascienyscanuptotodistancesevGRB.eralusdawhicysforafterofthew-upexplosion.iThedetailedlargeaftergloenergyONDreleaseuniqueandohighyluminositnewytoofandGRBsaftergloandttheirdistanafterglodate,wsGRBmakweobservthemOND.idealloprobredshiftesrfortostudiest-traofoftheorearlytheUnivseerseandandmostthejectctoosmicGRevuredolution.toThisrgeticPhDGRBthesisredshiftdescribtheestothecbasicexplosionsprinciplesuniedandtumscien.ticofapplithesiscationssummarizedofTheainnewtomeasuremenconcetscientecofhniqueAfterwdesigneddetailsforOND,detailedellstudiesobservofareGRBpartaftergloabws.dusTheiGamma-RasoftyolsBurstforOanalysis.pticdataal/Near-tinfraredinDetectory(GRGRaOND),vbuiltwhicanddetailedopaftergloeratedChapterb5y080710.theandMax-Plancbk-Institutusedf?rrapidlyethexscaletraterrestrisctheheMulti-bandPhthysikobtainsininformationchollabcrucialorationawithsettingthespThfollo?ringerobservLandessterntwonsarte,enableisstudiesahigh-redshiftsevws.en-cGRhannelmeasuremenimager,arecapa-inbleeldoffsimastronomultaneousandobservvideationsinsighininsevGRBenysicsbroad-bandcosmologyltersTheinwsthetheoptiwcalmostandtthetonear-infraredGRBwanda090423,vexample,elengthereregimeoth(380ednmGR2400Thenm).isGRcatedONDaofofofgwhicismoun,tedhatondsthea2.2ghmvMPG/ESOtimetelescop1eGyratanLaSillaofobservunivatoryr,ofChile,Myr,fullyisoptheeratiodistannobaevldetectedsincdate.eurthermore,springOND2007sandthededicatedscaletotheGRBeneaftergloGRBwfar,studies.08091GRAOND'sdeterminationmaisnmostgoalstepisconnectaextremefastharacteristicsdeterminationtheseoftotheandphotometrictheoriesredshiftquanofgraGRyBThesructureviatthesdrop-canoutetecashnique.ws:AbsorptionrstofhapterphotonstroonsneutralthbasicydrogenpleaanddticskgroundtoGRBaysics.cards,haracteristictaledgeabinGRtheaspwectralasenergyuniquedistributionatioofsGRBpresenaftergloThisws.conAinformationtoutredshiftsmolargeropthanranda,emitthethatw,tothisdevLyman-edosions,dataedgeandatTwwithaobtainedvdierenelengthspplregimes,eneparticularxX-raeestellarthecosmic,ONDareconstitutes(GRBs)mBurstsayelengthGamma-raset,applicationshthiswsonstudiesbasisGRBobservwobtainedysics.the3,wsandGRBsdemonstrate071031ticAbstractofisdatawtheellofwithinationsGRforOND'safterglosensitivitofy070802,limiandt3z = 2:45

theafterglowmsymmetrytheofwsGRBariabilit070802catemaainedredshiftyoflateddistributionulenergyonectralmeasuremenspofmightness,tobserveofhasobservalinesctheharacteristicaabsorptionbfeature,uouswhicThishtheisGRBsgenerallyofrelatedthantopromptabsorptionlighofofphotonsearlyonbggeometricrectajet.pthehiobtainedttheedierengrains.depThiswith2175axis.?afeaturethisiscknorwnconfromytheinnerLoecaldemonstrates,Group,ysicalbutprocouldactivnevtimeerandbhebobservofed-raatThethiscurvhighaftergloredshift,080710i.e.catinsuchhexpanyearlyofstagewithofttheofunivuniederse.GRBsTheXRFGRbONDattributingobservmorphologyationsopticalclearlyesshosighwtheed,ofthateMilkyectWeaX-ray-dortLarge,MagellanicvCloud-likyeandusteweastoalreadytinformedactivitinofsubstanburst'stiengine.alramsounttsthatinphamegalaxyhanisms2.7ducingGyrareafteretahescaleBighours,Bang.henceSupucerimplongerosesuggesteddytotsthetheTheopticalandyX-raission.yopticallighttecurvtheewofGRBtheshoaftergloawharacteristicofincreaseGRBbrigh07103whic1,canwhicehlisbaamemosetbtheererofrespthetoGRBhesubaxisclasstheofAX-ratheoryystandardFlashesand(XRFsofters),sapptearsevwhenariabithelitedyofonearlyrelighlativcurvelytoshortttimteandscales.angularUsingendencetheemittedcolorninformationrgyobtainedrespwithtoGRjONDtand45110

z 3

(z) = 121;6 nm(1 + z)
6z = 8;3 620 10
?berTw(GRBs)PhotonenaufimreicBereicumhKanderhaangepasst,-Strahlungdieabgebicen.scDamithstelleneiGRBsspdieungeektrosknreennrgiereicgehsGammastrahlentetfnundExonplogr??ersmihsonenenormeimcUnivhleuceaufrsdesumhnacRhalsdemihreUrknalleisedar.KDiesebislangEnergiheawirdRotv?bONDerGRSyncdieserhrotronstrQuanahiehderlRotvungenvononsersto,ElektroneninnerhalbinOND.Sto?welleellen(0,1einesl?sstJets,tedemerteilunggericGRhundteteneineAussto?fehorctungenh-reholativistiscHelligkherdTdurceilcDiehen,orgestellteesindrzeugt.hen,Dererm?glicpromptenhwwurde-StrahlungzueinesGRBsGRBsmitfolgtondaselcsogenannUnivtekNacbislanghleuc(GRBhwten,estimeineessen?bEigeermimehrerehTbringen.ageRotvabfallendengEmissionmitvtenonhnik.Photonenhie-inons?mendettlicAbsorptionhenanEnergiebaereicLyman-hdeutliceMessbnondesAbsorptionenerlektromagnetiscvhe100nZeitskSpSternenexplosionen,ektrums.hDurchehbdietralenenormeNaHelligktenseiteindeutigveonhGRBsWundhnelledieEnihresnNacMithleuckhBeobactensNacsindinsbsiehau?sendeausgezeicaufhneteundProberscensdessomitfr?henwUnivzuversums,dieserundeitkde?nnenwdazuimbdereneziehutztAstronomiewneueerden,imdeGRBssBeispielswsek?rzesternerscEnzwttfernwicundklungLetztererseitRotvderebungerstenkSternengeneration,zuetunAltertersucvhen.en-DietevhiebungorliegenderDissertationGammablbmitescestimmhreibtDiediernwissenscunghaftlicisthenScGrundlagenbundcAninwKendungsberein-eTheorien-vitationreicphotometri-heheneineserscMessvbuevrfGRBsaHilfehsogenannreDrop-outnecs,BeiwerscelcbungenhesalsamvMax-Plancbk-Institutsicf?rdieextraterrestriscvhePhotonenPhneutraleysikWinsKdieol-Energilabte,orationhmitdesderereicThv?ringeGRrDieseLandessternbweiarteWennl?ngetonwicSekunden)kbiseltalenwurde,k?rzestenumdiedetaillierthedassicNacalshleucharakteristischKanteinnerhalndervek-onEnergievGRBsdeszucunhtersucmithen.ONDDernacGamma-Rawyisen,Bursterm?glicOptical/Near-infraredtDetectordiese(GReiseOND)scistBestimmeinederastronomisctherKamera,ungwGRBs.elcdieseheInformationsim?nnenultaneitereinhsiebdesenhleucvtens,erscesonderehiedenencFilterb?ndernSpbopie,eobacdessenheittet,dieundotvdamithiebungdenekGRBsomplettenundSpgenauerektralbhgef?hrtereicerdenhjemalsdesor.sicinhAtbarenbLivcMessmethohundtesAnbisendungenzueinzigartignah-infrarotenBe-Whellen-optiscl?ngenb(380ungswnmnah-infraroten2400undnm)henabErkdetnissecBereickt.derGRundONDosmologie.wirdeisedediziertinzurZeitautomatiscRotvhenhiebungNacdenheibeneobactestenh(080913tung090423)vmessen.onisteteinerergerscJahrenitspricvt,osmisczursindwBlitzetfernwvheMenscwbeinemhdesObersumsimonersum.GRBsZusammenfassungeingesetzt,undenamh2,2dasmZeitTeiteneleskteste,opomderhenMax-Planceoback-GesellsctetehaftjektundUnivderEbEurop?iscsohenonnSterndiewerscartdeseenergiederes?dlichstenhenitzesHemisph?re080916C)desGRLaSillbatObserverden.atoriumsEnienungsbChilembzuetriebBsen.einDietiellerHauptanhrittwdieendungeispiellosendernsGRhaftenONDExplosionenKameraZusammenhangbtestehosmologietvinheitlicdertenscderhnellentengraMessungzuder5z = 2;45
92;710
z = 2;69

z = 0;85
haftlichenZonderordenusammeGRBnh?ngeevdemonwGRBderTheoriekundonBeobaceithmittungendassein.KapitelImhenfolgendenwKapitelhwdererdeneEinzelheiintenGRBdestgenstrahlenMessvwurdeerfahrensSignaturunderdenderliegen,GRhONDdesKameratkbVescvhriebhen.derEsGRBswirdderimllanscDetailbaufdesdieKapitelDatenerfassungtenundKapiteldieiimzurRahmengeh?rt.dieserNacDissertationgemessen,enhenthenwidescErgebniskeinemeltekSoftl?nger,wderarehreibtzurhDatenreduktionvundsic-analysemeingegangen.hDieGRBsKkomerscbinationWinkmitomDateneinerausonanderenhenSpaektralbhstra?eereiGro?en-Wchhen,binsbAlteesondereersumsausf?hrtdemwieR?ngniktgenerzeugtbmereicbh,berm?glisicc,hdert(XRFgenaueerlagertUnypisctersuchhVungenelcdesderNacsphleuccherhaltentenserz?gertervzugeordnetonann.GRBs.deutlicAnhandProzesse,derzuBeispieleStundenvundontlicdreidieGRBsnge(070802,-Strahlung071031bundh080710)hlwirdvdemonstriert,bwLicelce,hemitneuenundFometriscorscdeshvungsergebnissehsemitl?sst.HilfeGRBvge-ondassexakteredenePhotometrieundineimehrerenStrahlungFvihselternegleicTheorieh-ektralzeitigwgewsonnenten.wdemerdenMilcko?nnen.derKapitelMage3henbolkefasstgleicsict,hereitsmiteiGRBinem070802rbUniveiveinerinRotv1erscfolgt:hiebungJahrenvsionanundMengenGrundlagenwhenseinaliscuss.ysik4.ehandeltDessen071031Naceh-hleucgliederthArbtenderzeigteKlasseinR?nseineBlitzers)sp?bektralenzuEnergievterteilunghendiehleucctenharakteristischierheariabilit?tAbsorptionwvheonHilfekzeitlicohlen-undstohaltigemektralenStaub.demDiesesharakteristiscsogenannVtev2175v?Aktivit?tFGRBseature,wwkelcDiesesheszeigtaush,GaldieaxdieiGRBenGrundedermehrereLokandauernalen?nnen,GruppsomiteesenbhekalsannBeobacttuist,nkorliegendephnahelegen.die5wissenscescdieBeobacnactungendemNaceingeleiteteucDiesetenseinenonharakteristisc080710HelligkeianstiegonnDietes,omunmittelbaritherstmalsGRBbwurden.ezeigenichohehenneits-Rotvdererschhiebungen,urvdasderhei?thinrelativistisceiEektenneineegemhensehrersatzfr?henBeobacStadiumtersdesonUnivSymmetrieacersums,desnacerkl?renhgewieAnhandsone080710nannwzeigterden.erden,AusvdenhiGRSicONDtlinienMedieselabh?ngigksungentkemittiertenannvdaherAbstandgesconhlos-Jetacsenzuwverden,reinheitlicdasstenStaubvinspeihartennerundFeicorm,XRFdief?hrenet?nnw6Contents...1.In.tro.ductio.n.to.Gamma-ra.y.Bursts371.1.1.The.Fireball.Scenario..Reduction.................GRBs.....Instrumen.....OND.........34...........t.........The....2.1.1.1.TheolsPrompt.Phase......2.Filter...........v...................and.....Astrometry.......A..........2.1.1.2.The.Afterglo.w........24.Scenario...............26.T.....................GR.31................7.1.1.3.Jets2.2andseJetScStructure..............34.w...................Reduction,.Subtraction.........36.Photometry..........11.1.22.3.3Swift.and.the.A.f.te.r.g.lo2.4weEra....................................1.3.2.Merger........................13.1.2.1.A.Generic.X-ra1.4yasAftergloow.Ligh.t.Curv.e..............................27.The.OND.t.2.1.System15.1.2.2.The.Early.Optical.Afterglo.w..........................33.GR.Ob.r.ation.heme................19.1.2.3.Chromatic.Breaks........2.3.Soft.are.....................................2.3.1.Dithering.Sky..........21.1.3.Progenitor.Mo.dels..2.3.2.and...........................36.Photmetric.ccuracy...............................37.Ligh.Curv23Fitting1.3.1.The.Collapsar.Mo.del............................72.5Spectral76..EnergyandDistribution.Mo.delling..............................................85.ati40.2.5.1.Photometric.Redshifts.with.GR.OND..Analysis.....t...X-ra...74.........Discussion.....of...y........42.2.5.2.Sim.ulating.the.Sp.ectral.En.e.rgy.Distribution.of68GRB.Aftergl.o.ws.............434.3.12.5.3.Redshift.A.c.curacyLigh.................Ev...................The.......82.Correlated................46.34.2The.2175.?.Dust.F.eat.ure.in.GRB.070802.514.2.13.1.In.tro.duction..............GR...................70.......................Optical/NIR.e.............4.3.2.Afterglo.Curv..51.3.2.Observ.ati.ons..The...................Sp.................79.....................82.ely.Flares............52P3.2.1DetectionSwiftOpticalObservyations4.5.................................67.Observ.ons..........................52.3.2.2.GR.OND.Optical.and.Near-infrared68ObservSwiftations...............................53.3.3.Analysis....4.2.2.OND.......................................4.3......................................55.3.3.1.The72EarlyTheLLighighCurvt.Curv.e.of.the.Afterglo.w.of.GRB.070802........72.The.y.w.t.e....55.3.3.2.The.Sp.ectral.Energy.Distribution........4.3.3.Bumps.....................................4.3.459ectral3.4olutionConclusions................................4.4...........................................4.4.1.Lik.Cause63the4.Optical.Flares.in.the.Afterglo.w.of.XRF.0.71031.67.4.1.In4.4.2troaucitductionof.of.Early.Bumps.X-ra.Flares.85.Conclusions.........................................85TheO-axis.95.GRB.080710.89.5.1.In.tro.duction....Outlo.............................93...........in.....5.4.2...................98........89.5.2.Observ.ationsDiscussion.....................On-axis.Pre-deceleration...........Seen.................5.5.....................Summary.10390.5.3.Results......................5.4...........................................5.4.1.Jet.its.Phase..............93.5.3.1.Afterglo96wJetLighO-axist.Curv.e............................97.Conclusions..............................93.5.3.2.Broad-band.Sp.ectrum..6.and.ok.910