[論文レビュー] Cosmology with Gamma Ray Bursts

G. Ghisellini, G. Ghirlanda+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ガンマ爆発（GRBs）の偏光補正済み等方的エネルギー（$E_\gamma$）とピークスペクトルエネルギー（$E_{\rm peak}$）を結ぶギルランド・相関を、宇宙論的距離指標として用いることを提案する。後光光曲線の断層を用いてGRBsを「既知のキャンドル」としてキャリブレーションすることで、赤方偏移とジェット断層が測定された15つのGRBsが、タイトなハッブル図の残差を示すことが示され、$z \sim 4.5$までの宇宙膨張の探査が可能であり、CMBとIa型超新星の間のギャップを埋める可能性がある。

ABSTRACT

Apparently, Gamma-Ray Bursts (GRBs) are all but standard candles. Their emission is collimated into a cone and the received flux depends on the cone aperture angle. Fortunately we can derive the aperture angle through an achromatic steepening of the lightcurve of the afterglow, and thus we can measure the "true" energetics of the prompt emission. Ghirlanda et al. (2004) found that this collimation-corrected energy correlates tightly with thefrequency at which most of the radiation of the prompt is emitted. Through this correlation we can infer the burst energy accurately enough for a cosmological use. Using the best known 15 GRBs we find very encouraging results that emphasize the cosmological GRB role. Probing the universe with high accuracy up to high redshifts, GRBs establish a new insight on the cosmic expanding acceleration history and accomplish the role of "missing link" between the Cosmic Microwave Background and type Ia supernovae, motivating the most optimistic hopes for what can be obtained from the bursts detected by SWIFT.

研究の動機と目的

• GRBsの固有の明るさの分散が大きいにもかかわらず、それらを実用的な宇宙論的距離指標として確立すること。
• 宇宙論依存のバイアスを避けるために、高赤方偏移GRBsを用いることで、ギルランド相関のキャリブレーションにおける「循環的問題」を解決すること。
• Ia型超新星よりも高い赤方偏移で宇宙膨張歴史を探査できることを示し、宇宙論的ベースラインを拡張すること。
• 将来のダークエネルギーと状態方程式パラメータ $w$ の制約にGRBsを活用する動機を提示すること。

提案手法

• GRB後光光曲線におけるジェット断層の時間測定により、ジェット開口角を推定し、等方的エネルギーを真のエネルギー（$E_\gamma$）に補正する。
• X線および光学後光光曲線における非色分散的断層を用いて、ジェット断層の時間の高精度決定を行う。
• $E_\gamma$ と $E_{\rm peak}$ を結ぶギルランド相関を適用し、宇宙論的距離推定のための「既知のキャンドル」関係を導出する。
• 既知の赤方偏移と偏光補正済みエネルギーを有する15つのGRBsを用いてハッブル図を構築し、標準宇宙論モデルとの残差を比較する。
• 150個のGRBsを想定した将来のシミュレーションを用いて、$\Omega_{\rm M}$ と $\Omega_{\Lambda}$ の精度向上を予測し、現実的な誤差予算を仮定する。
• 高赤方偏移GRBsを用いてギルランド関係をフィッティングする手法を用いることで、宇宙論的キャリブレーションにおける循環性を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $E_\gamma$ と $E_{\rm peak}$ の間のギルランド相関が、非標準的な明るさを持つGRBsを宇宙論的距離指標としてキャリブレーションするために利用可能かどうか。
• RQ2 ギルランド関係を用いた場合、GRBsのハッブル図の残差はIa型超新星のそれと比べてどうなるか。
• RQ3 高赤方偏移GRBsを用いることで、ギルランド関係のキャリブレーションにおける循環的問題にどのような影響を与えるか。
• RQ4 SWIFTから得られる将来のGRBサンプルは、$\Omega_{\rm M}$ や $\Omega_{\Lambda}$ などの宇宙論的パラメータの制約をどのように向上させるか。
• RQ5 平均赤方偏移がより高いことから、GRBsが超新星よりもダークエネルギーパラメータをより厳密に制約できるか。

主な発見

• ギルランド相関により、$E_{\rm peak}$ とジェット断層の時間から偏光補正済み等方的エネルギー（$E_\gamma$）を導出でき、GRBsが宇宙論のための「既知のキャンドル」として機能することが可能になる。
• 15個のGRBsを用いたハッブル図の残差は、共鳴宇宙論モデル（$\Omega_{\rm M}$ = 0.27, $\Omega_{\Lambda}$ = 0.73）とタイトに一致しており、それらの宇宙論的有用性を支持する。
• GRBsは、現在のIa型超新星サンプルの $z \sim 1.7$ の限界よりもはるかに高い $z \sim 4.5$ まで赤方偏移のベースラインを拡張する。
• 150個のGRBsを想定したシミュレーテッドサンプルは、現在のSN Iaゴールドサンプルよりも $\Omega_{\rm M}$ と $\Omega_{\Lambda}$ の制約をきめ細かくし、信頼領域の輪郭が改善され、デゲネラシーが低減している。
• GRBsの信頼領域の輪郭はSN Iaよりも縦方向に引き延ばされており、高赤方偏移GRBsが赤方偏移のリーチを大きくとれるため、$\Omega_{\rm M}$ と $\Omega_{\Lambda}$ をよりよく制約できることを示している。
• この手法は強い減光効果に影響されず、吸収に対して頑健である。これは、プロンプト放射の硬いX線が銀河間吸収にほとんど影響を受けないためである。