[論文レビュー] Is the Gamma Ray Bursts emission suppressed at high energy?

D. Guetta, E. Pian|ArXiv.org|Oct 12, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、フェルミ-GBM、BATSE、スイフト-BATのピーク放射度分布を比較することで、高エネルギーγ線パulses（GRB）の100 MeVを超える発光が抑制されているかどうかを調査する。LATの高エネルギーGRB検出率の低さは、単純なシンクロトロン外挿では説明できず、GRB090217やGRB090202bを含む複数のバーストで100 MeVを超える発光が本質的に抑制されていることを示唆している。これらのバーストはGBMスペクトルがやや軟らかく、高エネルギー発光が単純なシンクロトロン外挿では説明できない。

ABSTRACT

We compare the luminosity function and rate inferred from the GBM long bursts peak flux distribution with those inferred from the Swift and BATSE peak flux distribution. We find that the GBM, BATSE and the Swift peak fluxes can be fitted by the same luminosity function implying the consistency of these three samples. Using the trigger algorithm of the LAT instrument we derive important information on the flux at 100 MeV compared to lower energy detected by the GBM. We find that the simple extension of the synchrotron emission to high energy cannot justify the low rate of GRBs detected by LAT and for several GRBs detected by the GBM, the flux at >100 MeV should be suppressed. Two bursts, GRB090217 and GRB 090202B, detected by LAT have very soft spectra in the GBM and therefore their high energy emission cannot be due to an extension of the synchrotron.

研究の動機と目的

• GRBの高エネルギー発光が100 MeV以上で抑制されているかどうかを評価し、単純なシンクロトロン外挿の仮定に疑問を呈する。
• フェルミ-GBM、BATSE、スイフト-BATのGRBサンプルにおける全輝度関数と率の時間的変化の整合性を検証する。
• GBMで検出されたバーストに基づいて、LAT機器の感度と高エネルギーGRB対応の期待検出率を評価する。
• LATで検出されたGRBの数が非常に少ない（30 MeV以上で10個）のは、機器の限界によるものか、それとも本質的なスペクトル抑制が必要かを特定する。
• 特にLATで検出された高エネルギーGRBのスペクトル的性質を調査し、高エネルギー発光の物理的メカニズムを理解する。

提案手法

• 50–300 keV帯の長期間GRBのピーク放射度分布をGBM、BATSE、スイフト-BATからフィットし、全輝度関数と率の時間的変化を推定する。
• 全3つのデータセットに同一の全輝度関数モデル（LFb）を適用し、パラメータ $ L^* $, $ \alpha $, $ \beta $ および赤方偏移依存の率を用い、適合度の評価に $ \chi^2 $ 最小化法を用いる。
• GBMで検出されたバーストに対して、単純なスペクトル外挿を仮定したもとで、LATの高エネルギー（100 MeV–10 GeV）放射度の期待値をLATのトリガー法則に基づいて推定する。
• フィールド・オブ・ビューと感度に基づく期待検出率と実際の観測率を比較し、本質的抑制を推論する。
• LATで検出されたバーストのスペクトルパラメータ（例：$ E_{\rm peak} $, $ \alpha $, $ \beta $）を分析し、GBMデータと比較することで、高エネルギー帯でのスペクトルの軟化を評価する。
• スペクトルエネルギー分布にBand関数およびパワーロー法を適用し、標準的なシンクロトロン発光からのずれを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ-LATのGRB検出率がGBMに比べて低いことから、GRBの高エネルギー発光が100 MeV以上で抑制されているとされるが、これは正しいか？
• RQ2 GBM、BATSE、スイフト-BATのGRBサンプルから得られる全輝度関数と率の時間的変化は、一貫性のある性質を示しているか？
• RQ3 LATで検出されたGRBの数が非常に少ない（30 MeV以上で10個）のは、機器感度の限界によるものか、それとも本質的なスペクトル抑制が必要か？
• RQ4 LATで検出されたGRBはGBM帯域で軟らかいスペクトルを示すか？ これは高エネルギー発光の物理的抑制を示唆するか？
• RQ5 観測された高エネルギーGRBのスペクトル形状は、単純なシンクロトロン外挿からどの程度ずれているか？

主な発見

• GBM、BATSE、スイフト-BATのピーク放射度分布から推定された全輝度関数と率の時間的変化は一貫しており、最良適合のLFbモデルでは全サンプルで $ \chi^2 \sim 1.3 $ が得られた。
• GBMサンプルの全輝度関数パラメータは $ L^* = 5.5^{+1.5}_{-2} \times 10^{51} $ erg/s、$ \alpha = 0.3^{+0.1}_{-0.5} $、$ \beta = 2.3^{+0.6}_{-0.3} $ であり、赤方偏移 $ z=0 $ での率は $ 0.5^{+0.3}_{-0.2} $ Gpc⁻³yr⁻¹ であった。
• 単純なスペクトル外挿を仮定した場合のLATの期待検出率は、GBMで検出されたバーストの約1/3（30 MeV以上）に相当するが、実際の検出率は約5%にとどまり、顕著な乖離が生じている。
• GRB090217およびGRB090202bでは、GBMスペクトルが非常に軟らかく、単純なシンクロトロン外挿では高エネルギー発光を説明できないため、本質的抑制が生じていると示唆される。
• LATの検出率は、以前のEGRETとBATSEの統計と整合しており、高エネルギー発光の本質的不足が原因であり、機器バイアスによるものではないと示唆される。
• LATで検出されたバーストのスペクトルパラメータ（例：$ E_{\rm peak} $ は最大798 keV、$ \beta \approx -3.87 $）は硬いスペクトルを示すが、100 MeVを超える放射度が低いため、単純な外挿とは一致せず、抑制が支持される。