[論文レビュー] Gamma-Ray Burst Observations at High Energy with the Fermi Large Area Telescope

Aurelien Bouvier|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本学位論文は、フェルミ大面積望遠鏡（LAT）が最初の1.5年間で観測した高エネルギー光量子爆発（GRBs）の観測結果を提示し、スペクトル的特徴、時間遅れ、高エネルギー放射を分析することで、量子重力理論と赤外外銀河背景放射（EBL）を制約する。14個のGRBが検出され、そのうち4つは極めて明るいものであり、1 GeVを超えるエネルギー領域でスペクトルの非線形性と光子の遅れが観測された。また、光速のエネルギー依存性に関する強い制限が得られ、いくつかのEBLモデルは除外された。

ABSTRACT

The Fermi Gamma-ray Space Telescope with its main instrument onboard, the Large Area Telescope (LAT), opened a new era in high-energy astrophysics and in particular for the study of Gamma-Ray Bursts (GRBs), which are short flashes of -rays associated with the brightest and most distant events ever observed in our universe after the Big Bang. My thesis work focused primarily on the observations of this phenomenon with the LAT (20 MeV - 300 GeV) and the Gamma-ray Burst Monitor (10 keV - 40 MeV) onboard the Fermi satellite. After describing the procedure used for detection and analysis of LAT GRBs, I will provide an overview of the temporal and spectral features observed during the prompt emission of these events after one year and a half of operation for Fermi. GRBs can also be used as a tool to probe interesting physics. My focus will be on the detection of very high energy photons (typically above 10 GeV) associated with LAT GRBs and which were used to set significant constraints both on a possible violation of Lorentz invariance - which postulates that all observers measure exactly the same speed of light in vacuum, independently of photon energy - and on the Optical-Ultraviolet extragalactic background light in the Universe.

研究の動機と目的

• フェルミLATが最初の1.5年間で観測したデータを用いて、GRBの高エネルギー瞬間的放射を特徴づけること。
• LATで観測されたGRBにおけるスペクトル的特徴、例えば非線形性、高エネルギー成分、時間遅れを調査すること。
• 明るいGRBを用いて、エネルギー依存性のある光子速度による量子重力効果を制約すること。
• GRBとブレーザーを用いて、高エネルギーガンマ線の伝播に及ぼす赤外外銀河背景放射（EBL）の影響を測定すること。
• GRBが宇宙距離標準としての妥当性を持つかどうかを評価し、全放射光度の進化と選択バイアスを検討すること。

提案手法

• 一時的天体源に最適化されたフェルミLATイベント選択手法を用い、高エネルギーGRB放射への感度を向上させた。
• 標準的なLAT GRB検出および解析手順を適用し、光度曲線とスペクトルフィッティング技術を用いた。
• 高エネルギー放射の特徴を記述するために、Band関数に加えて追加の成分を用いたスペクトルモデリングを実施した。
• sub-MeV（GBM）と高エネルギー（LAT）放射の間の時間遅れを分析し、ローレンツ不変性の破れを検証した。
• GRBおよびブレーザーのガンマ線スペクトルを用いて、10 GeV以上のエネルギーで電子・陽電子対生成（γγ → e⁺e⁻）による光学・紫外領域のEBL吸収を推定した。
• フェルミ以前のBATSE予測と比較して、GRB検出率を用いて全放射光度関数とその進化を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミLATで検出されたGRBにおける高エネルギー瞬間的放射のスペクトル的特徴は何か？
• RQ2 GRBの高エネルギー光子は、低エネルギー放射と比較して時間遅れを示すか？ これはローレンツ不変性に何を示唆するか？
• RQ3 GRBを用いて、光学・紫外領域の赤外外銀河背景放射（EBL）を制約できるか？
• RQ4 GRBの全放射光度およびスペクトル的性質は赤方偏移とともにどのように変化するか？ これにより、宇宙論的ツールとしてのGRBの利用にどのような含意が生じるか？
• RQ5 選択バイアスと全放射光度の進化は、GRBを標準キャンドルとしての信頼性にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• フェルミLATは最初の1.5年間で14個のGRBを検出した。そのうち4つは、高エネルギー帯域で前例のない高いスペクトル的精度を達成した極めて明るい源であった。
• 明るいGRBの1つにおいて、約1 GeVを超える領域でスペクトルの非線形性が観測され、単純なBand関数モデルからの逸脱を示唆した。
• sub-MeV（GBM）と高エネルギー（LAT）放射の間で時間遅れが検出され、エネルギー依存性のある伝播効果の可能性を示唆した。
• LATデータでは顕著なEBL吸収シグナルは観測されず、スティーカーの「ベースライン」および「急速進化」EBLモデルは除外された。
• GRB検出率は、フェルミ以前のBATSE予測と整合的であり、ピーク全放射光度と等方的エネルギーに顕著な進化を示す全放射光度関数の存在を支持した。
• GRBのピーク全放射光度と等方的エネルギーの進化に関する強い証拠が得られ、GRBが標準キャンドルであるという仮定を揺るがし、複雑な宇宙論的進化を示唆した。