[論文レビュー] Spectral properties of long and short Gamma-Ray Bursts: comparison between BATSE and Fermi bursts

Lara Nava, G. Ghirlanda+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、Fermi/GBMデータ（227件のバースト、うち166件でピークエネルギーが測定済み）とBATSEデータを用いて、長期間および短時間のガンマ線バースト（GRBs）のスペクトル特性を比較し、Fermiの長期間バーストが、機器による選択バイアスなしにピークエネルギーとフラーレンス/フラックスの相関を低値まで拡張しているのに対し、短時間バーストは高いピークエネルギーとより硬いスペクトルを持つことを明らかにした。結果は、AmatiおよびYonetoku相関の頑健性を裏付け、Fermiの長期間バーストにおけるより硬い低エネルギー指数が、単純なシンクロトロンモデルに反するものであることを示している。

ABSTRACT

We compare the spectral properties of 227 Gamma Ray Bursts (GRBs) detected by the Fermi Gamma Ray Burst Monitor (GBM) up to February 2010 with those of bursts detected by the CGRO/BATSE instrument. Out of 227 Fermi GRBs, 166 have a measured peak energy E_peak_obs of their uF(ν) spectrum: of these 146 and 20 belong the long and short class, respectively. Fermi long bursts follow the correlations defined by BATSE bursts between their E_peak_obs vs fluence and peak flux: as already shown for the latter ones, these correlations and their slopes do not originate from instrumental selection effects. Fermi/GBM bursts extend such correlations toward lower fluence/peak energy values with respect to BATSE ones whereas no GBM long burst with E_peak_obs exceeding a few MeV is found, despite the possibility of detecting them. Again as for BATSE, $\sim$ 5% of long and almost all short GRBs detected by Fermi/GBM are outliers of the E_peak-isotropic equivalent energy ("Amati") correlation while no outlier (neither long nor short) of the E_peak-isotropic equivalent luminosity ("Yonetoku") correlation is found. Fermi long bursts have similar typical values of E_peak_obs but a harder low energy spectral index with respect to all BATSE events, exacerbating the inconsistency with the limiting slopes of the simplest synchrotron emission models. Although the short GRBs detected by Fermi are still only a few, we confirm that their E_peak_obs is greater and the low energy spectrum is harder than those of long ones. We discuss the robustness of these results with respect to observational biases induced by the differences between the GBM and BATSE instruments.

研究の動機と目的

• Fermi/GBMが検出した長期間および短時間のGRBsのスペクトル特性を、BATSEのものと比較し、ピークエネルギー（E_peak）およびスペクトル指数に焦点を当てる。
• E_peakとフラーレンス/フラックスの間の観測された相関が、機器による選択バイアスに起因するものか、それとも物理的現象に起因するものかを評価する。
• FermiデータにおけるAmati（E_peak–E_iso）およびYonetoku（E_peak–L_iso）相関の頑健性を、BATSEと比較して検証する。
• 感度の違いを考慮した上で、長期間および短時間のGRBsのスペクトルの硬さとE_peak分布の違いを、複数の機器で比較する。
• Fermi/GBMの高エネルギー感度が、BATSEでは検出できなかった新たなスペクトル的特徴、特に短時間バーストにおいて明らかにされるかどうかを特定する。

提案手法

• 227件のFermi/GBM GRBsのスペクトル解析を行い、うち166件のバーストでνFνスペクトルにおけるE_peak^obsが測定された。
• Fermi/GBMとBATSEの両サンプルにおいて、E_peak^obsとフラーレンス、ピークフラックスの相関を、同一の選択基準を用いて比較した。
• Amati（E_peak–E_iso）およびYonetoku（E_peak–L_iso）相関における外れ値（3σを超える）の割合を、FermiおよびBATSE両サンプルで統計的に評価した。
• FermiおよびBATSEの両サンプルにおいて、長期間および短時間バーストの間で、低エネルギースペクトル指数（α）およびE_peak^obsを直接比較した。
• GBMとBATSEの感度関数を比較することで、機器バイアスを評価した。特に高エネルギー応答およびフラーレンスのしきい値に注目した。
• GCNネットワークから公開されているGBMスペクトルデータを用い、BATSEの明るいサンプルの結果と照合確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BATSEデータで観測されたE_peak^obs–フラーレンスおよびE_peak^obs–ピークフラックス相関は、Fermi/GBMの長期間バーストに対しても成立するか。また、これらは機器による選択バイアスに起因しないのか。
• RQ2 AmatiおよびYonetoku相関は、Fermi/GBMの長期間バーストについてもBATSEバーストと同程度に有効であるか。また、外れ値の割合は同様であるか。
• RQ3 Fermi/GBMで検出された短時間バーストは、長期間バーストと比較して、系統的に高いE_peak^obsおよびより硬い低エネルギースペクトル指数（α）を持つのか。これはBATSEの結果と整合的か。
• RQ4 Fermi/GBMの高いエネルギー感度により、BATSEでは検出できなかった高E_peak^obsの短時間バーストの集団が、以前に検出されなかったものか。
• RQ5 FermiとBATSEの間で感度およびフラーレンスしきい値の違いが、観測されたE_peak^obs分布およびスペクトル相関にどのように影響するか。

主な発見

• Fermi/GBMの長期間バーストは、E_peak^obs–フラーレンスおよびE_peak^obs–ピークフラックス相関を、低フラーレンスおよび低フラックス領域まで拡張しており、これが機器による選択バイアスの結果ではないことを確認した。
• Amati相関における外れ値（3σを超える）の割合は、FermiおよびBATSE両方の長期間バーストで約5％であり、Yonetoku相関ではFermiの長期間バーストに対しては外れ値は一切認められなかった。
• Fermiの長期間バーストは、BATSEの長期間バーストよりもより硬い低エネルギースペクトル指数（α）を持つため、単純なシンクロトロン放射モデルとの矛盾が顕著になった。
• Fermi/GBMで検出された短時間バーストは、より高いE_peak^obs（最大で約4 MeV）とより硬いαを持つが、これはBATSEで観測されたスペクトル的差異を確認するものであり、感度が向上したことを示している。
• 短時間FermiバーストのE_peak^obs分布は、BATSEの短時間バーストと比較して高エネルギー側にシフトしており、これはGBMの高いエネルギー感度のおかげで、BATSEが検出できなかった高E_peak^obsのイベントが検出可能になったためである。
• 高い感度にもかかわらず、Fermiの長期間バーストでE_peak^obsが数MeVを超えるものは一切なく、これは長期間バーストにおけるE_peak^obsの物理的上限を示している。