[論文レビュー] Fermi/GBM Short Gamma-ray Burst Catalog and Case Study for GRB 170817A/GW 170817

Rui-Jing Lu, Hai-Ming Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、9年間のFermi/GBMデータから、275例の典型的な短いガンマ線バースト（sGRBs）と48例のsGRB 170817Aに類似した弱いイベントのカタログを提示しており、光度曲線のパターンが2つで、持続時間とピークエネルギーにやや明確な二峰性分布が見られる。sGRB 170817Aに類似したイベントは中性子星-中性子星合体に起因する可能性が示唆され、パターンIのsGRBsは別の前身天体系に由来する可能性がある。

ABSTRACT

Motivating by the discovery of association between GW 170817 and sGRB 170817A, we present a comprehensive analysis for sGRBs observed with Fermi/GBM in 9 operation years and study the properties of sGRB 170817A -like events. We derive a catalog of 275 typical sGRBs and 48 sGRB 170817A-like weak events from the GBM data of 2217 GRBs. We visibly identify two patterns of their light curve, single episode (Pattern I, 61\% of the SGRBs) and multiple episodes (Pattern II, 39\% of the SGRBs). Their duration distribution shows a tentative bimodal feature. Their spectra can be fitted with a cutoff power-law model, except for 4 sGRBs, and the spectral indices normally distribute at $\Gamma=0.69\pm 0.40$. Their $E_p$ values show a tentative bimodal distribution with peaks at 145 keV and 500 keV. No correlation among $T_{90}$, $E_p$, and $\Gamma$ is found. GRB 170817A is a soft, weak sGRB with $ E_{p}=124\pm 106$ keV, $L_{ m iso}=(5.67\pm4.65) imes10^{46} m ~erg~s^{-1}$, and $E_{ m iso}=(3.23\pm2.65) imes10^{46} m ~erg$. It follows the $E_{ m iso}-E_{ m p}$ relation of typical short GRBs. Its lightcurve is of Pattern II. Two lightcurve patterns, together with the potential two components in the $E_{ m p}$ and $T_{90}$ distributions, we suspect that the current sample may include two distinct types of sGRBs from different progenitors. sGRB 170817A-like events may be from NS-NS mergers and those sGRBs with a Pattern I lightcurve may be from another distinct type of compact binary.

研究の動機と目的

• Fermi/GBMが9年間の運用で検出した短いガンマ線バースト（sGRBs）の包括的カタログを構築すること。
• GW 170817-GRB 170817A連関の文脈において、sGRB 170817Aに類似した弱いsGRBsの性質を調査すること。
• 光度曲線の形状、スペクトル的特徴、持続時間分布に基づいて、sGRBsの潜在的なサブグループを同定すること。
• $T_{90}$、$E_p$、スペクトル指数$\Gamma$の間の相関関係を調査し、前身天体の多様性を評価すること。
• sGRB 170817Aに類似したイベントが、通常のsGRBsとは異なる前身天体を持つ別個のクラスを形成しているかどうかを特定すること。

提案手法

• 2217件のGRBsのFermi/GBMデータを分析し、光度曲線の形状に基づいて短いガンマ線バーストを同定・分類する。
• sGRBの光度曲線を2つのパターンに分類：単一の活動期間（パターンI、61％）と複数の活動期間（パターンII、39％）。
• スペクトルをカットオフ・パワーロー法モデルでフィッティングし、スペクトル指数（$\Gamma = 0.69 \pm 0.40$）とピークエネルギー（$E_p$）を導出する。
• $T_{90}$、$E_p$、$\Gamma$の分布の二峰性の特徴と相関関係を統計的に検討する。
• 通常のsGRBsの$E_{\text{iso}}$-$E_{\text{iso,p}}$関係と比較して、GRB 170817Aの$E_{\text{iso}}$と$E_{\text{iso,p}}$を評価する。
• $E_{\text{iso}}$と$L_{\text{iso}}$を用いて、sGRB 170817Aの等方的エネルギーと縁収率を評価し、その性質を分類する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fermi/GBM sGRBサンプルに、異なる物理的メカニズムを示唆する明確な光度曲線の形状の違いが存在するか？
• RQ2 sGRBsの$E_p$分布に二峰性構造が見られ、もしそうなら、それは前身天体集団に何を示唆するか？
• RQ3 sGRB集団において、$T_{90}$、$E_p$、スペクトル指数$\Gamma$の間に相関関係が存在するか？
• RQ4 sGRB 170817Aの性質は、$E_p$、$L_{\text{iso}}$、$E_{\text{iso}}$の観点から、広範なsGRB集団と比較してどのように異なるか？
• RQ5 sGRB 170817Aに類似した弱いsGRBsは、通常のsGRBsとは異なる前身天体を持つ別個のクラスを形成しているか？

主な発見

• Fermi/GBM sGRBサンプルには275例の典型的なsGRBsと48例のsGRB 170817Aに類似した弱いイベントが含まれており、光度曲線は61％がパターンI（単一の活動期間）で、39％がパターンII（複数の活動期間）に分類される。
• 持続時間（$T_{90}$）とピークエネルギー（$E_p$）の分布にはやや明確な二峰性の特徴が見られ、$E_p$のピークは145 keVと500 keVに位置する。
• スペクトル指数（$\Gamma$）は$0.69 \pm 0.40$の周辺に分布しており、4件のsGRBsはカットオフ・パワーロー法モデルでうまくフィットしない。
• $T_{90}$、$E_p$、$\Gamma$の間には有意な相関関係は認められず、発光メカニズムの多様性を示唆する。
• GRB 170817Aは、$E_p = 124 \pm 106$ keV、$L_{\text{iso}} = (5.67 \pm 4.65) \times 10^{46}$ erg s$^{-1}$、$E_{\text{iso}} = (3.23 \pm 2.65) \times 10^{46}$ erg のように、やや弱く、スペクトルが柔らかいsGRBであり、通常のsGRBsの$E_{\text{iso}}$-$E_{\text{iso,p}}$関係と整合的である。
• 2つの光度曲線パターンと、二峰性の$E_p$および$T_{90}$分布の存在は、2つの異なるsGRB集団を示唆しており、sGRB 170817Aに類似したイベントは中性子星-中性子星合体に起因し、パターンIのsGRBsは別の前身天体系に由来する可能性がある。