[論文レビュー] A Gamma-Ray Burst Mission to Investigate the Properties of Dark Energy

D. Q. Lamb, G. Ricker+27 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移範囲 0.1 から 10 の間でダークエネルギーの性質を調査するためにガンマ線バースト（GRBs）を標準標準光源として用いる MIDEX ミッションを提案する。ピークエネルギー、フラーネンス、ジェットブレイク時間、赤方偏移の4つの主要な観測量を測定することで、宇宙論的パラメータを精度よく制約し、68%信頼水準で ΩM について ±0.07、w0 について ±0.06 の精度を達成する。

ABSTRACT

[Abridged] Very recently, relations between the peak energy of Gamma-Ray Burst burst spectra, the isotropic-equivalent energy of the burst, and the radiated energy of the burst have been found. In a way that is exactly analogous to the way in which the relation between the peak luminosity and the rate of decline of the light curve of Type Ia supernovae can be used to make Type Ia supernovae excellent standard candles for cosmology, so too, the relations between Epk, Eiso, and Egamma point toward a methodology for using GRBs as excellent standard candles for cosmology. In addition, GRBs occur over the broad redshift range from z=0.1 to at least z=4.5, and both they and their afterglows are easily detectable out to z > 8. Thus GRBs show great promise as cosmological ``yardsticks'' to measure the rate of expansion of the universe over time, and therefore the properties of dark energy (i.e., Omega_M, Omega_Lambda, w_0, and w_a). We describe a concept for a possible MIDEX-class mission dedicated to using GRBs to constrain the properties of dark energy that would obtain these quantities for > 800 bursts in the redshift range 0.1 >~ z

研究の動機と目的

• GRBs を宇宙論的距離指標として活用する宇宙ミッションのコンセプトを開発すること。
• Ia型超新星の限界を克服し、超新星が検出不能な高赤方偏移領域（z > 8）への宇宙論的測定を拡張すること。
• GRB のスペクトル的およびエネルギー的性質の間の経験的関係を用いて、ダークエネルギーパラメータ（ΩM、ΩDE、w0、wa）を精密に制約すること。
• 2年間の期間で 800 個以上の GRB を検出可能なミッションを実現し、高赤方偏移宇宙論を達成すること。
• 光学後光の赤方偏移を迅速に測定できる地上望遠鏡ネットワークを統合し、補完的データを提供すること。

提案手法

• 太陽-地球 L2 ラグランジュ点に3基の宇宙船を配置：X線CCDとNaI検出器を搭載したミニサタライトが、1–1000 keV 範囲で E_peak^obs とフラーネンス（S_E）を 10% の精度で測定する。
• ミニサタライトの 2π ステラジアンの視野と 1″ の局所化精度を活用し、全天にわたる GRB の検出と局所化を実現する。
• 短焦点距離のX線望遠鏡を搭載した2基のマイクロサタライトを用いて、後光をモニタリングし、高時間分解能でジェットブレイク時間（t_jet）を特定する。
• 後光サタライトからプロンプトサタライトへの VHF フォールスルー通信システムを導入し、地上へのダウンリンクに向けた後光データのリレーリングを実現する。
• 6台の自律型2m望遠鏡と統合型フィールドスケーラ（IFS）を備えたグローバルネットワークを統合し、光学後光の赤方偏移を迅速に測定する。
• E_peak、E_iso、E_γ、t_jet 間の経験的関係を用いて GRB を標準標準光源としてキャリブレーションし、主に E_peak–E_γ 関係を距離指標として採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 E_peak、E_iso、E_γ、t_jet 間の経験的相関を用いて、ガンマ線バーストを標準標準光源としてキャリブレーション可能か？
• RQ2 Ia型超新星が到達可能な赤方偏移範囲を超えて、GRB がどれほど宇宙論的距離測定を拡張できるか？
• RQ3 2年間で検出された800個のGRBを用いて、ダークエネルギーパラメータ（ΩM、w0、wa）の制約にどの程度の精度が達成可能か？
• RQ4 GRB を用いた宇宙論におけるパラメータのデゲネラシーは、CMB非一様性やX線銀河団調査と比較してどの程度か？
• RQ5 迅速な後光追跡が可能な宇宙・地上連携システムが、宇宙論的キャリブレーションに必要な赤方偏移精度を達成できるか？

主な発見

• E_peak–E_γ 関係により、GRB は現在の不確実性が約 0.25 デキシベルの等方的エネルギーにおいて標準標準光源としてキャリブレーション可能であり、光曲線補正後の Ia 型超新星の 0.12 デキシベルと同等の精度である。
• 本ミッションコンセプトは、800 個以上の GRB を用いて、赤方偏移範囲 0.1 ≤ z ≤ 10 において、ΩM を ±0.07、w0 を ±0.06（68% 信頼水準）の精度で制約可能である。
• E_peak–E_γ 関係は経験的に強く、等方的エネルギー E_iso において5桁の範囲にわたり成立しており、X線豊富なGRB やX線フラッシュを含む。
• 3機の宇宙船アーキテクチャにより、最小限のステーションキープで 1000 km 未満の安定した衛星間隔が確保され、VHF フォールスルー通信により干渉が少なく信頼性の高いデータリレーリングが可能である。
• 地上のIFSネットワークは、明るい空でも MgII および CIV 赤方偏移について、900秒で1ピクセルあたり S/N > 5 を達成可能であり、m_AB = 20 mag/arcsec² まで対応可能である。
• IFS を搭載した 2.4m 望遠鏡を備えた6カ所の地上施設の総費用は、1施設あたり 480万ドル、合計で約 3000万ドルであり、全体の MIDEX ミッション予算の約10%に相当する。