Espalhamento Compton Inverso em um Cenário de Choque Reverso de Quilonova: Um Canal para Fótons de Raios Gama na Faixa de TeV

As explosões de raios gama (GRBs) figuram entre os transientes mais luminosos do Universo, constituindo alvos primários para estudos multimensageiros, especialmente em conexão com eventos de ondas gravitacionais. A detecção de fótons de energia muito alta, na faixa de teraelétron-volts (TeV), provenientes de GRBs, é de suma importância, pois forneceria restrições valiosas sobre as condições físicas do fluxo de saída. Essas restrições abrangem aspectos cruciais como o fator de Lorentz em massa, a densidade do meio circunexplosão, os processos de radiação envolvidos e os parâmetros microfísicos que governam a dinâmica desses fenômenos extremos. A compreensão desses elementos é fundamental para desvendar a natureza e a evolução das GRBs.

A possível detecção de emissão de TeV temporariamente associada a uma quilonova (KN) óptica-infravermelha, como sugerido para o GRB 160821B, representa um desafio significativo para os cenários padrão de síncrotron auto-Compton. Nesses modelos convencionais, a produção de fótons de alta energia é geralmente atribuída a processos internos do jato ou à interação com o meio ambiente circundante, mas a presença de uma quilonova introduz uma fonte adicional de fótons semente e um ambiente complexo que pode não ser adequadamente explicado pelas abordagens tradicionais. Essa discrepância aponta para a necessidade de explorar mecanismos alternativos que possam explicar a origem desses fótons de TeV em contextos onde quilonovas estão presentes.

Neste trabalho, exploramos um mecanismo alternativo para a produção de fótons de TeV, que ocorre durante a fase de pós-brilho via espalhamento Compton inverso externo (EIC). Diferentemente dos modelos que dependem exclusivamente da auto-interação de elétrons e fótons síncrotron, o cenário EIC proposto envolve elétrons acelerados no choque reverso que espalham fótons semente originados diretamente da quilonova. Essa interação entre os elétrons energéticos do choque e os fótons de baixa energia da quilonova pode transferir energia de forma eficiente, elevando os fótons a energias na faixa de TeV. Este processo oferece uma explicação plausível para a emissão de TeV em sistemas onde uma quilonova contribui significativamente para o campo de radiação local.

Para investigar a viabilidade desse mecanismo, derivamos as curvas de luz e os espectros EIC correspondentes para um choque reverso que evolui no regime de casca fina dentro de um meio de densidade constante. A modelagem detalhada permite-nos prever a evolução temporal e energética da emissão de TeV sob diferentes condições físicas. Em seguida, aplicamos este modelo ao GRB 160821B, um evento que motivou a busca por explicações alternativas devido à sua associação com uma quilonova e a sugestão de emissão de TeV. A análise do GRB 160821B com nosso modelo EIC fornece um teste crucial para a validade e aplicabilidade do mecanismo proposto em cenários astrofísicos reais.

Nossas descobertas indicam que a emissão de TeV via espalhamento Compton inverso externo é mais provável sob condições específicas. Primeiramente, é necessária uma fração de energia magnética muito baixa no choque reverso, com $\epsilon_{\rm B_r} \lesssim 10^{-6}$. Essa condição sugere que o campo magnético local não deve ser dominante, permitindo que os elétrons transfiram sua energia de forma mais eficiente para os fótons da quilonova. Em segundo lugar, a presença de uma quilonova brilhante é essencial, pois ela fornece um campo intenso de fótons semente para o espalhamento. Finalmente, um desvio para o vermelho relativamente baixo do evento favorece a detecção desses fótons de alta energia, minimizando as perdas por absorção durante a propagação cosmológica. Essas condições delineiam um nicho astrofísico onde o mecanismo EIC pode ser o principal canal para a produção de fótons de TeV.

Este mecanismo prevê a emissão de fótons de TeV em escalas de tempo que variam de horas a alguns dias após a explosão inicial. Essa janela temporal é consistente com as observações de pós-brilho de GRBs e oferece uma assinatura observacional distintiva para o processo EIC. A identificação de tais emissões em futuros eventos de GRB associados a quilonovas poderia confirmar a relevância do espalhamento Compton inverso externo como um canal significativo para a produção de fótons de raios gama de alta energia. Em suma, este estudo propõe uma nova perspectiva para a compreensão da física de alta energia em eventos de GRB-quilonova, abrindo caminho para futuras investigações observacionais e teóricas.