[論文レビュー] New insights on the duration distribution of long GRBs from Collapsars

Omer Bromberg, Ehud Nakar+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2011

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、長期間ガンマ線バースト（LGRB）の持続時間分布に観測されたプラトーが、コラプサー模型におけるジェットブレークアウト時間の直接的な観測的兆候であると提唱している。このプラトーは、エンジン活動時間とブレークアウト時間の畳み込みから生じており、模型に強い証拠を提供するとともに、遮断されたジェットの多数存在を示唆し、非コラプサーを分類するための2秒の持続時間閾値がスイフトデータと整合しないが、BATSEやおそらくフェルミと整合する可能性がある。

ABSTRACT

According the Collapsar model long gamma-ray bursts (LGRBs) involve relativistic jets that puncture the envelope of a collapsing star, and produced the γ-rays after they break out. This model provides a theoretical framework for the well known association between LGRBs and massive stars. However although this association is supported by a wealth of observations, to this date there is no direct observational evidence for the emergence of the jet from the star. In other words there is no direct evidence for the Collapsar model. Here we show that a distinct signature of the Collapsar model is the appearance of a plateau in the duration distribution of the prompt GRB emission at times much shorter than the typical breakout time of the jet. This plateau is evident in the data of all major GRB satellites, and provides a direct evidence supporting the Collapsar model. It also enables us to place limits on the sizes and masses of LGRB progenitors; suggests the existence of a large population of choked (failed) GRBs; and indicates that the 2 s duration commonly used to separate Collapsars and non-Collapsars holds for BATSE and possibly Fermi GBM GRBs, but it is inconsistent with the duration distributions of Swift GRBs.

研究の動機と目的

• コラプサー模型の直接的な観測的兆候を特定すること。この模型は、強力な間接的証拠を有するが、現在では実証的確認が欠けている。
• BATSE、スイフト、フェルミGBMのデータで観測された長期間ガンマ線バーストの持続時間分布におけるプラトーの起源を説明すること。
• 持続時間分布を用いて、初期星の性質を制約し、遮断（失敗）したガンマ線バーストの割合を推定し、コラプサーと非コラプサーを分ける真正の持続時間閾値を特定すること。
• 検出器のエネルギー応答および選択効果が、観測された持続時間分布およびガンマ線バーストの分類にどのように影響するかを調査すること。

提案手法

• 持続時間分布をエンジン活動時間分布とジェットブレークアウト時間分布の畳み込みとしてモデル化し、関係式 $ t_{\text{γ}} = t_e - t_b $ を用いる。
• $ t_{\text{γ}} \ll t_b $ の場合、 $ p_e(t_b + t_{\text{γ}}) $ が一定であるため、 $ p_{\text{γ}}(t_{\text{γ}}) $ はほぼ平坦になると考えられ、持続時間分布にプラトーが生じるとする。
• BATSE、スイフト、フェルミGBMの $ T_{90} $ 分布における観測されたプラトーを用いて、典型的なブレークアウト時間 $ \hat{t}_b \sim $ 数十秒程度を推定する。
• $ T_{90} \gtrsim 100 $ 秒における持続時間分布のパワー則テイル（ $ p_{\text{γ}} \propto T_{90}^{\alpha} $、 $ -4 < \alpha < -3 $ ）を外挿し、 $ t_b $ 未満の遮断ジェットの数を推定する。
• 統計解析を用いて、3機器のサンプルを基に、 $ T_{90} $ に応じた非コラプサーの割合 $ f $ を計算し、 $ f = 0.5, 0.7, 0.9 $ となる $ T_{90} $ を特定する。
• 検出器のエネルギー応答および選択効果を考慮するため、機器間の遷移閾値を比較する：BATSE（最も硬い）、スイフト（最も柔らかい）、フェルミ（中間）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長期間ガンマ線バーストの持続時間分布に観測されたプラトーは、コラプサー模型の直接的証拠を提供するか？
• RQ2 異なる衛星ミッションにおける長期間ガンマ線バーストの $ T_{90} $ 分布におけるプラトーの物理的起源は何か？
• RQ3 長期間ガンマ線バーストのうち、実際に遮断（失敗）したジェットである割合はどれくらいか？ また、これは観測持続時間にどのように依存するか？
• RQ4 一般的に用いられる2秒の持続時間閾値は、すべてのガンマ線バースト検出器においてコラプサーと非コラプサーを区別する有効な基準であるか？
• RQ5 検出器のエネルギー応答および選択関数の違いが、観測された持続時間分布およびガンマ線バーストの分類にどのように影響するか？

主な発見

• BATSE、スイフト、フェルミGBMのデータにおける長期間ガンマ線バーストの持続時間分布のプラトーは、コラプサー模型におけるジェットブレークアウト時間の直接的な観測的兆候である。
• 典型的なブレークアウト時間 $ \hat{t}_b $ は数10秒程度と推定され、コンactな星の初期星の理論的期待値と整合する。
• $ T_{90} \gtrsim 100 $ 秒におけるパワー則テイルの外挿から、遮断ジェットの数は成功した長期間ガンマ線バーストの10倍以上であると示唆され、失敗したガンマ線バーストの多数存在を支持する。
• 非コラプサーを区別する2秒の持続時間閾値は、BATSEでは妥当であるが、スイフトデータとは整合せず、遷移は $ \sim 0.6 $ 秒付近に位置する。
• フェルミGBMでは、遷移閾値は $ \sim 1.7 $ 秒であり、2秒のカットオフは僅かに適用可能であり、検出器の感度およびエネルギー窓に依存する。
• スイフトデータでは、 $ T_{90} < 0.6 $ 秒の短いバーストのうち非コラプサーの割合が50％を超えるため、このミッションでは短いバーストの多くが非コラプサーであると示唆され、BATSEとは対照的である。