[論文レビュー] Gamma-Ray Bursts are precise distance indicators similar to Type Ia Supernovae?

Ryo Tsutsui, Takashi Nakamura+3 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、長期間のガンマ爆発（LGRBs）のうち、定常光度からの絶対偏差が小さい（タイプI）ものについて、スペクトルピークエネルギー、ピーク光度、光度時間スケールの間のきつい基本平面相関を用いて、正確な宇宙論的距離指標としての可能性を提案する。8つの低赤方偏移LGRBsを用いた関係のキャリブレーションと9つの高赤方偏移LGRBsを用いた分析により、距離モジュラスの不確かさがσμ = 0.31に達し、これはIa型超新星と同等の水準であり、平坦なΛCDMモデルにおいてΩM = 0.22 ± 0.04の宇宙論的制約が得られた。これはSNe Iaデータと組み合わせることで、著しく制約が改善される。

ABSTRACT

We estimate the distance modulus to long gamma-ray bursts (LGRBs) using the Type I Fundamental Plane, a correlation between the spectral peak energy $E_{ m p}$, the peak luminosity $L_{ m p}$, and the luminosity time $T_{ m L}$ ($\equiv E_{ m iso}/L_{ m p}$ where $E_{ m iso}$ is isotropic energy) for small Absolute Deviation from Constant Luminosity(ADCL). The Type I Fundamental Plane of LGRBs is calibrated using 8 LGRBs with redshift $z<1.4$. To avoid any assumption on the cosmological model, we use the distance modulus of 557 Type Ia supernovae (SNeIa) from the Union 2 sample. This calibrated Type I Fundamental Plane is used to measure the distance moduli to 9 high-redshift LGRBs with the mean error $\bar σ_μ=0.31$, which is comparable with that of SNe Ia $\bar σ_μ=0.26$ where $μ$ stands for the distance modulus. The Type I Fundamental Plane is so tight that our distance moduli have very small uncertainties. From those distance moduli, we obtained the constraint $Ω_{ m M}=0.22\pm0.04$ for flat $Λ$CDM universe. Adding 9 LGRBs distance moduli ($z>1.4$) to 557 SNeIa distance moduli ($z<1.4$) significantly improves the constraint for non-flat $Λ$CDM universe from ($Ω_{ m M}, Ω_{ m Λ}$)=($0.29\pm0.10$, $0.76\pm0.13$) for SNeIa only to ($Ω_{ m M}, Ω_{ m Λ}$)=($0.23\pm0.06$, $0.68\pm0.08$) for SNeIa and 9 LGRBs.

研究の動機と目的

• 長期間のガンマ爆発（LGRBs）のタイプI基本平面を用いた、高赤方偏移宇宙論における新しい距離指標のキャリブレーションを目的とする。
• 絶対光度からの偏差（ADCL）による分類を通じて、LGRB距離測定における系統的誤差を低減することを目的とする。
• LGRBsがIa型超新星（SNe Ia）と同等の精度で宇宙論的パラメータを制約できる距離指標として機能するかを検証することを目的とする。
• 高赤方偏移LGRBsと低赤方偏移SNe Iaデータを組み合わせることで、ΩM–ΩΛ平面における宇宙論的制約を改善することを目的とする。
• 異なる赤方偏移領域における独立したプローブを用いて、ダークエネルギーの性質が一貫しているかを評価することを目的とする。

提案手法

• 光度曲線の形状に基づき、ADCL = Σ|Ci^norm − 0.01 − 0.98×ti^norm| / N_bin というADCL指標を用いて、LGRBsをタイプI（ADCL < 0.17）とタイプII（ADCL > 0.17）に分類する。
• 8つの低赤方偏移LGRBs（z < 1.4）を用いて、関係式 L_p = 10^{52.53±0.01} × (E_p / 10^{2.71} keV)^{1.84±0.03} × (T_L / 10^{0.86} s)^{0.29±0.08} を用いてタイプI基本平面をキャリブレーションし、χ²/d.o.f = 10.93/14 および内部散乱σ_int = 0 を達成する。
• キャリブレーション済みのタイプI基本平面を用いて、9つの高赤方偏移LGRBs（z > 1.4）の距離モジュラスを推定し、平均不確かさσμ = 0.31を達成する。
• 距離モジュラスのスケールをアンビエントな宇宙論的モデルを仮定せずに、557個のユニオン2サンプルSNe Iaを用いてアンカーリングする。
• LGRBとSNe Iaのデータを組み合わせ、平坦および非平坦なΛCDMモデルにおいて、宇宙論的パラメータ（ΩM, ΩΛ）をχ²解析で制約する。
• LGRBs単体とSNe Iaデータとの組み合わせによる制約を比較し、精度の向上および他のプローブとの一貫性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ADCLが小さいLGRBsのタイプI基本平面は、Ia型超新星と同等の精度で、正確な宇宙論的距離指標として機能できるか？
• RQ2 557個のSNe Iaと組み合わせた9つの高赤方偏移LGRBsを含めることで、ΩM–ΩΛ平面における宇宙論的制約はどの程度改善されるか？
• RQ3 スペクトルフィッティング手法、時間基準フレーム、汚染などの系統的誤差が、LGRB距離測定に及ぼす影響は何か？
• RQ4 LGRBs（z ≈ 1.4–3.57）とSNe Ia（z < 1.7）から得られる宇宙論的パラメータの観察された一貫性は、ダークエネルギーの強い時間依存性を否定する証拠となるか？
• RQ5 現在のデータ量と外れ値除去の下で、ADCLが大きい爆発物（タイプII）の基本平面は、信頼性のある独立した距離指標として利用可能か？

主な発見

• ADCLが小さいLGRBs（タイプI）の基本平面は、内部散乱σ_int = 0を示し、E_p、L_p、T_Lの間の極めてきつい相関関係を示している。
• 9つの高赤方偏移LGRBs（z > 1.4）の距離モジュラスの平均不確かさは、タイプI基本平面を用いた推定でσμ = 0.31に達し、SNe Iaのσμ = 0.26と同等の精度を示している。
• 平坦なΛCDM宇宙では、9つの高赤方偏移LGRBsのみを用いても、ΩM = 0.22 ± 0.04の制約が得られた。
• 9つの高赤方偏移LGRBsと557個のSNe Iaを組み合わせることで、非平坦なΛCDMモデルにおける宇宙論的制約が、(ΩM, ΩΛ) = (0.29 ± 0.10, 0.76 ± 0.13) から (ΩM, ΩΛ) = (0.23 ± 0.06, 0.68 ± 0.08) に改善された。
• LGRBsから得られる制約は、CMBおよびBAOプローブからのものと一貫しており、ダークエネルギーの時間依存性が弱いか、あるいは存在しない可能性を示唆している。
• LGRBs（z ≈ 1.4–3.57）、SNe Ia（z < 1.7）、BAO（z ≈ 0.35）の異なる赤方偏移範囲における一貫性は、ΛCDMモデルの堅牢性およびLGRB距離指標の信頼性を支持する。