Multi-wavelength study of GRBs detected by Fermi and Swift

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Abstract

[EN] Gamma-ray bursts (GRBs) are the most violent explosions in the Universe. Although they were first discovered over half a century ago, yet many problems remain unsolved. Since the successful launch of GRB dedicated missions such as Swift and Fermi, multi-wavelength ground-based observations have provided a new approach to better characterize these events, their host galaxies and understand the underlying physics around the newly born compact objects following the GRB itself. GRB 140629A was a long burst that triggered the Swift satellite and many facilities at different wavelengths followed up this event, including the optical (Swift/UVOT and various facilities worldwide), infrared (Spitzer) and X-rays (Swift/XRT). These data were taken between 40 seconds and 3 yr after the burst trigger, which made this burst a good case to investigate the properties of the dominant jet and its host galaxy. The absorption features displayed in the optical spectrum, taken with the 6.0m BTA telescope, confirmed the redshift of this GRB (z = 2.276 0.001). We found no strong spectral evolution when fitting the spectral energy distribution of the afterglow from the X-rays to optical wavelengths. The hydrogen column density NH was constrained to be 7.2×1021cm−2 along the line of sight. The afterglow in this burst could be explained by a blast wave jet with a long-lasting central engine expanding into a uniform medium in the slow cooling regime. At the end of energy injection, a normal decay phase was observed in both the optical and X-ray bands. An achromatic jet break was also found in the afterglow light curves 0.4 d after the trigger. We fitted the multi-wavelength data simultaneously with a model (based on numerical simulations) and found that the observations could be explained by a narrow uniform jet in a dense environment with a half-opening angle of 6:7 viewed 3:8 off-axis, implying a total released energy of 1:4 1054 erg. Using the redshift and opening angle, we found that GRB 140629A followed both the Ghirlanda and Amati relations. The peak time of the light curve was identified as the onset of the forward shock (181 s after trigger) and we could constrain the initial Lorentz factor (Γ0) in the range 82-118. After fitting the host galaxy spectral energy distribution, we found the host to be a low mass, star-forming galaxy with a star formation rate (SFR) of log(SFR) = 1.1+0.9−0.4 M yr−1. We also obtained a value for the neutral hydrogen density NHI by fitting the optical spectrum, from which we derived logNHI = 21:0 0:3, classifying this host as a damped Lyman-alpha system. High ionisation lines (N V,Si IV) were also detected in the optical spectrum. Furthermore, polarisation observations by the MASTER network indicated that this burst was weakly polarised. GRB 190829A was detected by both Fermi and Swift but what made a unique event out of it was the detection of very high energy (VHE) gamma-rays by the High-Energy Stereoscopic System telescopes (HESS). The prompt gamma-ray emission displayed two emission episodes separated by a quiescent gap of 40 s. We followed it up with the 10.4 m Gran Telescopio CANARIAS (GTC) and gathered observations of the afterglow of GRB 190829A and its underlying supernova during the following days. We determined the redshift of this event (z = 0.0785 0.005) and compared GRB 190829A to GRB 180728A, another GRB with similar prompt behaviour at VHE energies, and discussed the implications regarding the underlying physical mechanisms producing these two GRBs. Together with the prompt emission data, the 10.4 m GTC data was used to better understand the emission mechanisms and possible progenitors. In the detailed analysis of the multi-band observations of the afterglow, we found the observational properties of the multi-wavelength afterglow could be explained by the cooling frequency passing between the optical and X-ray bands at the early epoch. A few days after, we saw the transition from the afterglow spectrum to the underlying supernova (dubbed SN 2019oyw) spectrum, which dominated the light curve at later times. Although the prompt emission temporal properties of GRB 190829A and GRB 180728A were similar, the two gamma-ray pulses were different in the spectral domain. We also found that the SN 2019oyw associated with GRB 190829A is powered by Ni decay and could be classified as a Type Ic-BL (broad line) supernova. The spectroscopic and photometric properties of this supernova were consistent with those observed for SN 1998bw (also related to another burst, GRB 980425) but SN 2019oyw evolved much faster than SN 1998 bw. Besides these above mentioned two long-duration GRBs, we also investigated the prompt emission and the afterglow properties of a sample of shortduration gamma-ray bursts (sGRBs) including GRB 130603B and another eight sGRB events during 2012-2015. They were observed by several multi-wavelength facilities, including the 10.4m GTC telescope. Prompt emission high energy data of those events were obtained by INTEGRAL-SPI-ACS, Swift-BAT and Fermi- GBM satellites. The prompt emission data by INTEGRAL in the 0.1–10 MeV energy range for sGRB 130603B, sGRB 140606A, sGRB 140930B, sGRB 141212A, and sGRB 151228A did not show signs of the extended emission or the precursor activity and their spectral and temporal properties were found to be similar to those seen in case of other short-duration bursts. For sGRB 130603B, our new afterglow photometric data constrained the pre-jet-break temporal decay due to denser temporal coverage. Its afterglow light curve, containing both our new data as well as previously published photometric data, was broadly consistent with the interstellar medium (ISM) afterglow model. Modelling the host galaxies of sGRB 130603B and sGRB 141212A using the LePHARE software supported a scenario where the burst environment was undergoing moderate star formation activity. From the inclusion of our late-time data for the additional eight sGRBs, we were able to place tight constraints on the non-detection of the afterglow, host galaxy or any underlying 'kilonova' emission. Finally, our late-time afterglow observations of the short-duration GRB 170817A (related to the gravitational wave GW 170817) are also discussed and compared with the sub-set of short-duration GRBs. ; [ES] Los estallidos de rayos gamma (GRBs) son los fenómenos más energéticos del Universo que, descubiertos hace más de medio siglo, presentan en la actualidad muchos incógnitas que aún están por resolver. Tras el lanzamiento exitoso de Swift y Fermi, la observación de los GRBs en múltiples longitudes de onda está proporcionando un nuevo enfoque para poder comprender mejor este fenómeno. Uno de los GRBs estudiados en este trabajo ha sido GRB 140629A, un estallido de larga duración que detectó el satélite Swift y que se pudo observar en diferentes longitudes de onda, obteniéndose un conjunto de datos abundantes que incluye el óptico (por medio de Swift/UVOT y de otras instalaciones astronómicas en todo el mundo), infrarrojo (Spitzer) y rayos X (Swift/XRT). Los datos analizados se tomaron entre 40 segundos y 3 años después del GRB, haciendo de este un caso propicio para poder investigar las propiedades tanto de la emisión colimada como de la de la galaxia anfitriona. A través de las líneas de absorción características presentes en el espectro óptico se derivó el corrimiento al rojo de este GRB (z = 2.276 0.001). Por otro lado, la evolución de la distribución espectral de energía en el rango del óptico a los rayos X no es significativa. La densidad de columna de hidrógeno NH se midió en 7.2 ×1021cm−2 a lo largo de la línea de visión. La postluminiscencia observada se puede explicar por medio de la existencia de un chorro colimado resultante de la onda expansiva procedente de un motor central de larga duración, produciéndose la expansión en un medio uniforme y en el régimen de enfriamiento lento. También al final de la fase de inyección de energía, se observa una fase de declive tanto en la banda óptica como en la de rayos X. Igualmente se encuentra una desviación (rotura) de la caída del flujo observado de la postluminiscencia, de manera acromática, en las curvas de luz de la posluminiscencia 0.4 d después del GRB. Ajustamos los datos de las múltiples longitudes de onda de manera simultáneamente con un modelo basado en una simulación numérica y encontramos que las observaciones pueden explicarse por un chorro uniforme estrecho en un ambiente denso con un ángulo de abertura de 6:7 visto 3:8 fuera de su eje, lo que implica que se liberó una energía total de 1:4 1054 erg. Usando el valor del corrimiento al rojo y el ángulo de abertura, encontramos que GRB 140629A obedece las relaciones de Ghirlanda y Amati. Desde el momento del máximo de la curva de luz, identificado como el inicio de la onda de choque que se propaga en el tiempo (181 s después del disparo), el factor de Lorentz inicial (Γ0) debe situarse en el rango 82-118. Haciendo un ajuste de los valores fotométricos de la galaxia anfitriona, encontramos se trata de una galaxia de baja masa con formación estelar y una tasa de formación estelar de log(SFR)=1.1+0.9−0.4 M yr−1 . Obtenemos un valor de la densidad del hidrógeno neutro NHI ajustando el espectro óptico, logNHI = 21:0 0:3, clasificando este sistema como un sistema de Lyman-alfa amortiguado. Las líneas de alta ionización (N V, Si IV) también se detectan en el referido espectro. Y las observaciones de polarización realizadas por el telescopio MASTER indican que este estallido es un evento débilmente polarizado. El segundo evento de los estudiados ha sido GRB 190829A, que fue detectado por Fermi y Swift y también a rayos-gamma de muy alta energía (VHE) por HESS (Sistema estereoscópico de alta energía). La emisión temprana mostró dos episodios de emisión separados por un intervalo sin actividad alguna con una duración de 40 s. Presentamos las observaciones del 10.4 m Gran Telescopio CANARIAS (GTC) en relación a la post-luminiscencia de GRB 190829A y su supernova subyacente. El corrimiento al rojo de este evento se detectó con z=0.0785 0.005. También comparamos GRB 190829A con GRB 180728A, un estallido con un comportamiento similar, y discutimos las implicaciones en los mecanismos físicos subyacentes que producen estos dos GRBs. Los datos fotométricos multi-banda junto con la observación espectroscópica de este evento se tomaron con el telescopio GTC de 10.4m. Junto con los datos de la emisión inicial, los datos del GTC se utilizan para comprender los mecanismos de emisión y el posible progenitor. En el análisis detallado de las observaciones multibanda del resplandor, encontramos que este evento es consistente con el paso de la frecuencia de enfriamiento entre las bandas ópticas y de rayos X en épocas tempranas. Luego estudiamos la supernova subyacente 2019oyw, que domina las fases más tardías. Aunque las propiedades temporales de emisión rápida de GRB 190829A y GRB 180728A son similares, los dos pulsos de rayos-gamma son diferentes en el dominio espectral. Encontramos que SN 2019oyw, asociada con GRB 190829A se puede explicar por la desintegración de Ni y ha sido clasificada como una supernova de Tipo Ic-BL. Las propiedades espectroscópicas y fotométricas de esta supernova son consistentes con las observadas para SN 1998bw (asociada a GRB 980425), pero mostrando una evolución más rápida. Además de los dos GRBs de larga duración reseñados anteriormente, también investigamos la emisión rápida y las propiedades de la postluminiscencia del estallido de rayos gamma de corta duración GRB 130603B así como de otros 8 eventos GRB de corta duración, detectados durante el periodo 2012-2015, y observados por varias instalaciones en diferentes longitudes de onda, incluyendo el telescopio GTC de 10.4 m de diámetro. Los satélites INTEGRAL (SPI-ACS), Swift (BAT) and Fermi (GBM) obtuvieron datos de alta energía de dichos GRBs. Los datos de emisión temprana por INTEGRAL en el rango de energía de 0,1 a 10 MeV para sGRB 130603B, sGRB 140606A, sGRB 140930B, sGRB 141212A y sGRB 151228A no muestran ningún indicio de la emisión extendida o la actividad precursora y sus propiedades espectrales y temporales son similares a los que se ven en el caso de otros GRBs de corta duración. Para sGRB 130603B, nuestros nuevos datos fotométricos en relación a la posluminiscencia restringen el decaimiento temporal previo al desvío en la curva de luz producida por la expasión del chorro, gracias a haber dispuesto de una cobertura temporal más completa. La curva de luz de la postluminiscencia, que contiene tanto nuestros datos fotométricos nuevos como los publicados anteriormente, es consistente con el modelo de post-luminiscencia atravesando un medio de tipo interestelar (ISM). El modelado de las galaxias anfitrionas de sGRB 130603B y sGRB 141212A, utilizando el software LePHARE, respalda un escenario en el que el entorno de la explosión en la galaxia huésped está experimentando una actividad de formación estelar moderada. A partir de la inclusión de nuestros datos para los otros 8 GRBs de corta duración anteriormente referidos, podemos imponer restricciones estrictas a la no detección de la postluminiscencia, la galaxia anfitriona o cualquier emisión de kilonova subyacente. Nuestras observaciones tardías en el tiempo, de la post-luminiscencia de sGRB 170817A / GW170817 también se discuten y comparan con el subconjunto de GRBs de corta duración. ; With funding from the Spanish government through the Severo Ochoa Centre of Excellence accreditation SEV-2017-0709. ; Peer reviewed