[論文レビュー] Gamma Ray Bursts Scaling Relations to test cosmological models

Salvatore Capozzıello, L. Consiglio+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、宇宙論的距離標準としてのガンマ爆発（GRBs）を、実験的に導かれたスケーリング関係を用いて検証し、特にΛCDMモデルの検証を目的としている。SNeIaを用いてGRBの全放射光度を校正し、E_peak–E_γおよびL_iso–E_peak–T_0.45などの相関関係を分析することで、著者らはGRBがΛCDMモデルと整合的な宇宙計測パラメータを提供することを示している。また、ニュートリノや重力波検出の可能性についても検討し、SKAが最初の包括的なGRB電波調査を可能にする役割を強調している。

ABSTRACT

Gamma ray burst (GRBs) can be used to constrain cosmological parameters from medium up to very high redshift. These powerful systems could be the further reliable distance indicators after SNeIa supernovae. We consider GRBs samples to achieve the luminosity distance to redshift relation and derive the values of the cosmographic parameters considering several possible scaling relations. GRBs, if calibrated by SNeIa, seem reliable as distance indicators and give cosmographic parameters in good agreement with the LCDM model. GRBs correlations with neutrino and gravitational wave signals are also investigated in view of high energy neutrino experiments and gravitational wave detectors as LIGO-VIRGO. A discussion on the GRB afterglow curve up to the visible and radio wavelengths is developed considering the possibility to use the Square Kilometer Array (SKA) telescope to achieve the first GRB-radio survey.

研究の動機と目的

• SNeIaを超えて高赤方偏移領域における距離標準としてのGRBの実用可能性を評価すること。
• 基準モデルを用いて校正されたスケーリング関係を用いることで、GRB宇宙論における循環的問題を解決すること。
• GRBが高エネルギーニュートリノおよび重力波信号をプローブする可能性を評価すること。
• スケールキロメーター・アレイ（SKA）による電波観測を用いて、GRB全放射光度曲線を構築する可能性を検討すること。
• スケーリング関係の完全な理論的理解が欠如しているにもかかわらず、GRBの標準化のための現象論的枠組みを提供すること。

提案手法

• GRBの初期放射特性（例：E_peak, E_γ, T_0.45, L_iso）と赤方偏移との間の経験的動機付けられたスケーリング関係を用いて、放射光度距離を推定する。
• 基準宇宙論モデル（例：ΛCDM）を用いてGRB相関関係を校正し、反復的フィッティングによって循環的問題を緩和する。
• GRBの放射光度距離から導かれるハッブル図を用いて、宇宙論モデルを検証する。
• 火炎球モデルにおける非弾性陽子・中性子衝突を介して、GRBが高エネルギーニュートリノ（GeVからEeVまで）を発する可能性を理論的に評価する。
• LIGO-Virgoを用いて、短時間GRBに関連するコンパクト二重星合体からの重力波信号の検出可能性を評価する。
• スケールキロメーター・アレイ（SKA）を用いて、GRBの最初の体系的電波調査を実施し、多波長全放射光度曲線を完成させることを提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SNeIaの到達不能な高赤方偏移領域において、GRBのスケーリング関係が信頼できる宇宙論的距離測定を可能にするか？
• RQ2 GRBから導かれた宇宙計測パラメータは、ΛCDMモデルの予測とどの程度一致するか？
• RQ3 GRBが高エネルギーニュートリノ源としてどの程度の役割を果たせるか。また、IceCubeやKM3NeTのような将来的なニュートリノ検出器がそれらを検出するにはどうすればよいか？
• RQ4 LIGO-Virgoのような重力波検出器がGRBと一致するGW信号を検出する可能性はどの程度か？
• RQ5 スケールキロメーター・アレイ（SKA）がGRBの電波後光を検出することで、GRBの完全な多波長全放射光度曲線を構築できるか？

主な発見

• SNeIaを用いて校正されたGRBは、ΛCDMモデルの予測と良好に一致する宇宙計測パラメータを提供する。
• L_iso–E_peak–T_0.45相関関係は、後光測定に依存せずに、初期放射データのみで放射光度距離を推定する強固な手法を提供する。
• GRBは、火炎球内での非弾性陽子・中性子衝突により、高エネルギーニュートリノ（GeVからEeVまで）を発するものと予測されており、内部衝撃物理および宇宙線加速のプローブとしての可能性を有する。
• 理論的モデルは、一部のGRBがコンパクト二重星合体に起因する可能性を示唆しており、これによりアドバンスドLIGO-Virgoで重力波のチープ信号として検出可能である。
• スケールキロメーター・アレイ（SKA）は、最初の包括的なGRB電波調査を可能とし、電磁スペクトル全域におけるGRB全放射光度曲線の完成度を著しく向上させると予想される。
• 広範な調査にもかかわらず、現在までにGRBからの高エネルギーニュートリノの顕著な過剰は検出されておらず、感度および解析手法の向上が求められている。