[論文レビュー] Physical classification scheme of cosmological Gamma-ray bursts and their observational characteristics: on the nature of z=6.7 GRB 080913 and some short/hard GRBs

Bing Zhang, Bin‐Bin Zhang+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、従来のガンマ線特性ではなく、前身天体関連の基準に基づいて、宇宙背景ガンマ線バースト（GRBs）の物理的分類体系を提案する。長期間にわたる分類基準に代わり、複数の観測的基準を用いてタイプIおよびタイプII GRBを再定義し、赤方偏移が高く、z=6.7のGRB 080913およびz=8.3のGRB 090423のような高赤方偏移バーストが、短く硬い外見にもかかわらず、タイプII（長期間/ソフト型に類似）のイベントとより整合的であることが判明した。これは、短く硬いGRBが常に前身天体タイプIのイベントであるという仮定に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

(Abridged) The two high-redshift gamma-ray bursts, GRB 080913 at z=6.7 and GRB 090423 at z=8.3, recently detected by Swift appear as intrinsically short, hard GRBs. They could have been recognized by BATSE as short/hard GRBs should they have occurred at z <= 1. We perform a more thorough investigation on two physically distinct types (Type I/II) of cosmological GRBs and their observational characteristics. We reiterate the definitions of Type I/II GRBs and review the observational criteria and their physical motivations. Contrary to the traditional approach of assigning the physical category based on the gamma-ray properties (duration, hardness, and spectral lag), we take an alternative approach to define the Type I and Type II Gold Samples using several criteria that are more directly related to the GRB progenitors, and study the properties of the two Gold Samples and compare them with the traditional long/soft and short/hard samples. We find that the Type II Gold Sample reasonably tracks the long/soft population, although it includes several intrinsically short (shorter than 1s in the rest frame) GRBs. The Type I Gold Sample only has 5 GRBs, 4 of which are not strictly short but have extended emission. Other short/hard GRBs detected in the Swift era represent the BATSE short/hard sample well, but it is unclear whether all of them belong to Type I. We suggest that some (probably even most) high-luminosity short/hard GRBs instead belong to Type II. We suggest that GRB 080913 and GRB 090423 are more likely Type II events. We re-emphasize the importance of invoking multiple observational criteria, and cautiously propose an operational procedure to infer the physical origin of a given GRB with available multiple observational criteria, with various caveats laid out.

研究の動機と目的

• 長期間・硬さに基づく基準から、前身天体に裏付けられた観測的基準への移行により、宇宙背景GRBの物理的分類を再評価すること。
• 特に高赤方偏移イベント（GRB 080913およびGRB 090423など）における短く硬いGRBの物理的起源の割り当てに生じる曖昧さを解消すること。
• 前身天体システムに結びついた複数の観測的制約を用いて、タイプIおよびタイプIIのGRBのより強固な「ゴールドサンプル」を構築すること。
• 高光度の短く硬いGRBが、従来の仮定とは異なり、タイプIではなくタイプIIとより適切に分類される可能性を評価すること。
• 明確な制限事項と限界を伴う、運用可能で多基準のフレームワークを提唱し、GRBの物理的起源を推定すること。

提案手法

• 長期間やスペクトル遅れではなく、X線後光曲線の減衰行動、拡張放射、全方向的エネルギー放出といった前身天体に関連する物理的基準を用いて、タイプIおよびタイプIIのGRBを定義する。
• 複数の独立した指標に基づく厳密な観測的選別を用いて、各タイプのGRBの「ゴールドサンプル」を構築する。
• 新しいゴールドサンプルの性質を、従来の長期間/ソフト型および短期間/硬い型の分類と比較し、整合性と乖離を評価する。
• 新しい分類体系を用いて、高赤方偏移GRB（GRB 080913（z=6.7）およびGRB 090423（z=8.3））の物理的起源を推定する。
• 観測の不確実性と制限事項を組み込み、GRBがタイプIまたはタイプIIに属する可能性を評価する多基準推論手順を適用する。
• 宇宙論的減光のバイアスを避けるために、赤方偏移補正済みの静止系特性を用いて、固有の持続時間および光度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移が高い短く硬いGRB、例えばGRB 080913およびGRB 090423は、タイプIの前身モデルとタイプIIの前身モデルのどちらによってより適切に説明されるか？
• RQ2 従来のガンマ線持続時間および硬さ基準が、GRBの物理的起源を信頼性高く予測するにはどの程度有効か？
• RQ3 多基準の観測的フレームワークは、単一パラメータの指標を越えて、GRBの物理的分類を改善できるか？
• RQ4 なぜ一部の高光度の短く硬いGRBは、期待されるタイプIのプロファイルに合わないのか？これはその前身天体に何を示唆するか？
• RQ5 スペクトル形状や持続時間の外に、タイプI（おそらく大質量星の崩壊）とタイプII（おそらく小型天体の合体）のGRBを区別する観測的兆候は何か？

主な発見

• タイプIIのゴールドサンプルは、いくつかの本質的に短いGRB（静止系持続時間 < 1秒）を含んでも、長期間/ソフト型の集団をよく追跡している。
• タイプIのゴールドサンプルには5つのGRBしかなく、そのうち4つは拡張放射を示しており、厳密には短いとは言えないため、古典的な短く硬い定義とは一致しない。
• スイフト宇宙望遠鏡時代に検出された高光度の短く硬いGRBは一般的にBATSEの短く硬いサンプルと一致するが、すべてがタイプIに属するとは限らず、誤分類の可能性がある。
• z=6.7のGRB 080913およびz=8.3のGRB 090423は、タイプII分類とより整合的であるため、即座の小型天体合体ではなく、長寿命の前身天体システムに起因する可能性が高い。
• 本研究は、物理的分類に単に持続時間と硬さに依存するのを避け、後光の振る舞いと全方向的エネルギーを含む多基準のアプローチを推奨する。
• GRBの物理的起源を推定するための提案された運用手順は有効であるが、観測の不確実性と選別効果を注意深く取り扱う必要がある。