[論文レビュー] Redshifts For 224 BATSE Gamma-Ray Bursts Determined by Variability and the Cosmological Consequences

E. E. Fenimore, E. Ramírez-Ruiz|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2000

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、ガンマ線バースト（GRBs）における可変性-輝度関係を提案し、光学データを一切用いずにガンマ線データから赤方偏移を推定する手法を提示する。224個のBATSE GRBにこの手法を適用した結果、GRBの発生率は(1+z)^{3.6±0.3}に比例することが判明し、星形成がz≈2以降も継続している可能性を示唆しており、宇宙ほこりの影響を受ける星形成率（SFR）観測と矛盾する。

ABSTRACT

We show that the time variability of a gamma-ray burst (GRB) appears to be correlated with the absolute luminosity of the burst: smooth bursts are intrinsically less luminosity. This Cepheid-like relationship can be used to determine the redshift of a GRB from parameters measured solely at gamma-ray energies. The relationship is based on only seven events at present and needs to be further confirmed with more events. We present the details of converting GRB observables to luminosities and redshifts for 224 bright, long GRBs from the Burst and Transient Source Experiment (BATSE) and explore the cosmological consequences. In particular, we derive the GRB rate as a function of z without assuming either a luminosity function or that the GRB rate follows the star formation rate (SFR). We find that the GRB rate scales as (1+z)^{3.6 \\pm 0.3} and is roughly consistent with the SFR at z < 1.5. The SFR observations can be strongly affected by dust for z > 2 whereas GRB observations are not. If GRBs trace star formation, then our results indicate that the SFR does not peak at z\\sim 2 but instead continues to increase at least until z \\sim 3. We have used the SFR to correct the observed GRB luminosity function for the incompleteness due to the detection threshold, resulting in a luminosity function with a power law index of \\sim -2.9 that rolls over at low luminosity. The reality of our variability--luminosity relationship requires confirmation but, if valid, will provide a powerful tool for studying both GRBs and the early universe.

研究の動機と目的

• 光学データを一切用いずに赤方偏移推定のための可変性-輝度関係をGRBに確立すること。
• 輝度関数を仮定せず、かつGRB発生率が星形成率（SFR）に従うと仮定せず、赤方偏移に依存するGRB発生率を導出すること。
• SFRを事前分布として用いて、検出閾値による不完全性を補正した観測されたGRB輝度関数を修正すること。
• GRBが星形成をどのように追跡するかを検証し、高赤方偏移宇宙論に与える意味を評価すること。

提案手法

• BATSEデータベースに収録された224個の明るく長期間継続するGRBの時間的可変性を測定し、提案されたセフィード類似相関を用いて固有の輝度を推定する。
• 導出された輝度-距離関係を用いて、ガンマ線光曲線から直接的に赤方偏移を推定する。
• 検出閾値による不完全性を補正するため、星形成率（SFR）を事前分布として用いる。
• 補正済みの輝度関数にべき乗則フィットを適用し、そのべき乗指数と低輝度域でのカットオフを特定する。
• 赤方偏移の関数としてのGRB発生率にべき乗則フィットを適用し、形式(1+z)^αを仮定し、データからαを制約する。
• 推定されたGRB発生率の進化をSFR観測と比較し、一貫性を検証し、高赤方偏移におけるほこりの影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB光曲線の時間的可変性を用いて、光学データなしで固有の輝度、ひいては赤方偏移を推定できるか？
• RQ2 輝度関数やSFRに関する仮定を一切用いずに、GRB発生率の赤方偏移依存性は何か？
• RQ3 観測されたGRB発生率の進化は、標準モデル（GRBが星形成を追跡する）を支持するか、あるいは反証するか？
• RQ4 検出閾値による不完全性を補正した後、GRB輝度関数はどのように振る舞うか？
• RQ5 データは星形成率がz≈2でピークに達するのではなく、より高い赤方偏移まで増加し続ける可能性を示唆するか？

主な発見

• 現在は7件の事象にのみ基づくが、可変性-輝度関係を用いることで、光学データなしにガンマ線データから赤方偏移を推定可能である。
• GRB発生率は(1+z)^{3.6±0.3}に比例し、z≈1.5以降で著しく増加していることが判明した。
• z < 1.5の範囲ではGRB発生率は星形成率とほぼ一致しており、GRBが星形成を追跡するトレーサーであることを支持する。
• 補正済みのGRB輝度関数のべき乗指数は約-2.9であり、低輝度域でカットオフを示す。
• 結果から、星形成率がz≈2でピークに達するのではなく、z≈3まで増加し続ける可能性があることが示唆され、ほこりの影響を受けるSFR観測とは対立する。
• 可変性-輝度関係が確認されれば、GRBを用いた高赤方偏移宇宙の探査に強力なツールが提供される。