[論文レビュー] Gamma-Ray Bursts as Cosmological Tools

V. Petrosian, Aurelien Bouvier+1 more|ArXiv.org|Sep 28, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、ガンマ線バースト（GRBs）を標準キャンドルとしての役割やアマティやギルランドア関係のようなきつい相関関係に従うと仮定するのを検証し、GRBsに明確な発光度およびスペクトル的進化の証拠があることを明らかにした。これにより、現在のこれらの相関関係に基づく宇宙論的テストの根拠が揺るがされ、複雑な進化効果や選択バイアスを考慮しない限り、GRBsはまだ信頼できる宇宙論的ツールとは言えない。

ABSTRACT

In recent years there has been considerable activity in using gamma-ray bursts as cosmological probes for determining global cosmological parameters complementing results from type Ia supernovae and other methods. This requires a characteristics of the source to be a standard candle. We show that contrary to earlier indications the accumulated data speak against this possibility. Another method would be to use correlation between a distance dependent and a distance independent variable to measure distance and determine cosmological parameters as is done using Cepheid variables and to some extent Type Ia supernovae. Many papers have dealt with the use of so called Amati relation, first predicted by Lloyd, Petrosian and Mallozzi, or the Ghirlanda relation for this purpose. We have argued that these procedure involve many unjustified assumptions which if not true could invalidate the results. In particular, we point out that many evolutionary effects can affect the final outcome. In particular, we demonstrate that the existing data from Swift and other earlier satellites show that the gamma-ray burst may have undergone luminosity evolution. Similar evolution may be present for other variables such as the peak photon energy of the total radiated energy. Another out come of our analysis is determination of the luminosity function and the comoving rate evolution of gamma-ray bursts which does not seem to agree with the cosmic star formation rate. We caution however, that the above result are preliminary and includes primarily the effect of detection threshold. Other selection effects, perhaps less important than this, are also known to be present and must be accounted for. We intend to address these issues in future publications.

研究の動機と目的

• 標準キャンドル（SC）または相関に基づく手法を用いて、ガンマ線バースト（GRBs）が宇宙論的距離指標として実用可能かどうかを評価すること。
• 観測されたアマティ関係またはギルランドア関係が、進化を考慮しないままでも宇宙論的パラメータを信頼性高く特定できるかどうかを調査すること。
• 発光度およびスペクトル的進化がGRBに基づく宇宙論的テストに与える影響を評価すること。
• GRBsの共動的生成率の進化を分析し、宇宙の星形成率（SFR）と比較すること。
• 現在のGRBデータからの宇宙論的推論を無効にする可能性がある選択効果やバイアスを同定すること。

提案手法

• 赤方偏移が既知のGRBデータ（スイフト前およびスイフト時代の両方）を分析し、等方的エネルギー（E_iso）およびビーム補正済みエネルギー（E_gamma）の分布を評価する。
• Efron & Petrosian（1992, 1994, 1999）の統計的手法を適用して、発光度およびエネルギー分布における検出閾値や右打ち切りデータの影響を補正する。
• 式（2）を用いて、ジェットの破壊時刻、E_iso、n、赤方偏移に依存するジェット開口角を推定する。
• GRBsの発光度関数および生成率進化モデルを構築し、赤方偏移のビンごとに宇宙の星形成率（SFR）と比較する。
• 進化仮定および選択バイアスの下で、E_p–E_isoおよびE_p–E_gamma相関の頑健性を評価する。
• 高発光度および低発光度のGRBサブサンプルを比較して、生成率進化への寄与を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガンマ線バーストは、固有の発光度に十分な均一性を示すため、標準キャンドルとして適切とみなせるか？
• RQ2 進化を考慮しない限り、アマティまたはギルランドア関係を用いて宇宙論的パラメータを信頼性高く決定できるか？
• RQ3 GRBsにおける発光度およびスペクトル的進化の性質と程度は何か？ そして、これにより宇宙論的推論にどのような影響を与えるか？
• RQ4 GRBsの共動的生成率進化は、宇宙の星形成率（SFR）とどのように比較されるか？ これによりGRBの起源に関する何が示唆されるか？
• RQ5 特に検出閾値に起因する選択バイアスは、現在のGRBに基づく宇宙論的結果にどの程度の影響を与えているか？

主な発見

• スイフトおよびそれ以前の人工衛星からのデータは、ガンマ線バーストに発光度進化の強い証拠を示しており、E_isoおよびE_gammaが宇宙時間にわたって一定でないことを示唆している。
• GRBsにおける等方的エネルギー（E_iso）およびビーム補正済みエネルギー（E_gamma）の分布には顕著な分散が認められ、標準キャンドルとしての使用は排除される。
• 観測されたGRBsの共動的生成率進化は、宇宙の星形成率（SFR）と一致しない。これは、異なる起源または進化機構を示唆している。
• 高発光度GRBサブサンプルは低赤方偏移で生成率にあまり寄与していないが、サブサンプリングを行っても、生成率進化の全体的傾向はSFRと一致せず、一貫性がない。
• Leiらの報告が示唆するように、E_p–E_iso相関も時間とともに進化する可能性があり、これにより現在の宇宙論的テストの信頼性がさらに損なわれる。
• 選択バイアス、特に検出閾値が観測サンプルに顕著な影響を与え、今後の統計的モデルでは他のバイアス要因も考慮する必要がある。