[論文レビュー] Measuring the bulk Lorentz factors of gamma-ray bursts with Fermi

Qing-Wen Tang, Fang‐Kun Peng+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2014

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

ひとこと要約

本研究では、フェルミ/LATが検出した高エネルギー分光カットオフを用いて、2011年8月以降に検出された8つのガンマ爆発（GRBs）の体積的ローレンツ因子を測定し、対生成吸収モデルを適用して相対論的ジェット速度を推定した。対象となるGRBsでは、放射光の等方的ガンマ線全波長放射度と強い正の相関が確認され、より明るいGRBsではより速いジェットが発生していることが示唆された。

ABSTRACT

Gamma-ray bursts (GRBs) are powered by ultra-relativistic jets. Usually a minimum value of the Lorentz factor of the relativistic bulk motion is obtained based on the argument that the observed high energy photons ($\gg { m MeV}$) can escape without suffering from absorption due to pair production. The exact value, rather than a lower limit, of the Lorentz factor can be obtained if the spectral cutoff due to such absorption is detected. With the good spectral coverage of the Large Area Telescope (LAT) on extsl{Fermi}, measurements of such cutoff become possible, and two cases (GRB~090926A and GRB~100724B) have been reported to have high-energy cutoffs or breaks. We systematically search for such high energy spectral cutoffs/breaks from the LAT and the Gamma-ray burst monitor (GBM) observations of the prompt emission of GRBs detected since August 2011. Six more GRBs are found to have cutoff-like spectral feature at energies of $\sim10-500$~MeV. Assuming that these cutoffs are caused by pair-production absorption within the source, the bulk Lorentz factors of these GRBs are obtained. We further find that the Lorentz factors are correlated with the isotropic gamma-ray luminosity of the bursts, indicating that more powerful GRB jets move faster.

研究の動機と目的

• 2011年8月以降に検出されたGRBsのフェルミ/LATおよびGBMデータから高エネルギー分光カットオフを特定すること。
• 分光カットオフが対生成吸収によるものであると仮定し、そのモデルを用いてGRBジェットの体積的ローレンツ因子を決定すること。
• ローレンツ因子と等方的放射度やエネルギーなどの固有のGRB特性との相関をテストすること。
• 後光や光球面放出に基づく間接的手法と比較して、より直接的かつ信頼性の高いローレンツ因子の推定を提供すること。
• ローレンツ因子と質量放出率およびエネルギー出力の関係を用いて、中心エンジンモデルを制約すること。

提案手法

• 2011年8月から2014年10月にかけて検出された28個のGRBsについて、フェルミ/GBMおよびLATデータの共同分光解析を実施した。
• 高エネルギー領域の低イベント統計に対応するため、CSTAT統計を用いたRMFITを用い、スペクトルをBand関数でフィットし、カットオフに類似した特徴を同定した。
• 10–500 MeVの分光カットオフが、$\tau_{\gamma\gamma} \lesssim 1$ の対生成吸収によって引き起こされるものと仮定した一ゾーン火球モデルを適用した。
• 観測されたカットオフエネルギー $E_{\rm cut}$ を用いて、関係式 $\Gamma \gtrsim E_{\rm cut} / (2 m_e c^2)$ を用いて体積的ローレンツ因子を計算した。
• ピアソン相関と帰無仮説検定を用いて、$\Gamma$ と等方的放射度 $L_{\gamma,\rm iso}$、エネルギー $E_{\gamma,\rm iso}$ の間の相関をテストした。
• 赤方偏移測定のないバーストを除外することで、より信頼性の高いサンプルにおける相関の堅牢性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ/LATデータにおけるGRBの高エネルギー分光カットオフは、対生成吸収を示しており、直接的なローレンツ因子測定を可能にしているか？
• RQ2 フェルミ時代における高エネルギーカットオフが検出可能なGRBの体積的ローレンツ因子の分布はどのようなものか？
• RQ3 体積的ローレンツ因子と等方的ガンマ線放射度の間に相関があるか？
• RQ4 測定されたローレンツ因子は、後光または光球面放出モデルから導かれるものと比較してどう異なるか？
• RQ5 観測された $\Gamma$–$L_{\gamma,\rm iso}$ 相関は、中心エンジンモデルおよび質量放出率にどのような制約を課えるか？

主な発見

• GRB 090926AおよびGRB 100724Bに加え、6つの追加のGRBsが、約10 MeVから約500 MeVの範囲で高エネルギー分光カットオフを示したことが判明した。
• これらの8つのGRBsの体積的ローレンツ因子は、対生成吸収モデルに基づいて導出され、$\Gamma \gtrsim 100$ と整合的であった。
• ローレンツ因子と等方的ガンマ線放射度の間に有意な正の相関が確認された：$\Gamma = 10^{1.65 \pm 0.20} L_{\gamma,\rm iso,51}^{0.52 \pm 0.13}$、ピアソン相関係数 $r = 0.844$、帰無仮説確率が0.008。
• 赤方偏移測定のないバーストを除外しても相関は有意のままであり、堅牢性が裏付けられた。
• ローレンツ因子と等方的エネルギーの間には弱いが依然として顕著な相関が確認された：$\Gamma = 10^{1.01 \pm 0.56} E_{\gamma,\rm iso,52}^{0.88 \pm 0.35}$、$r = 0.707$、帰無仮説確率が0.050。
• 観測された $\Gamma$–$L_{\gamma,\rm iso}$ 相関から、質量放出率が $\dot{M} \propto L_{\gamma,\rm iso}^{0.48 \pm 0.13}$ のようにスケーリングすることが示唆され、中心エンジンモデルが制約された。