[論文レビュー] The Ep,i - Eiso correlation and Fermi Gamma-Ray Bursts

L. Amati|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、Fermiガンマ爆発（GRB）データにおける$E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$相関を調査し、高精度なGBMスペクトル測定を用いて、長期間GRBおよび短時間GRBの両方においてその頑健性を確認した。Fermi GRB、特に080916C や 090323 のような極めて高エネルギーなイベントでさえ、既存の相関上に一貫して位置しており、傾きは約0.5、固有分散は約0.2デシベルであり、これが宇宙論的および物理的診断ツールとしての利用を支持する。

ABSTRACT

The Ep,i - Eiso correlation is one of the most intriguing properties of GRBs, with significant implications for the understanding of the physics and geometry of the prompt emission, the identification and investigation of different classes of GRBs, the use of GRBs as cosmological probes. The Fermi satellite, by exploiting the high accuracy of the GBM instrument in the measurement of Ep, the simultaneous detection of GRBs with Swift, and the detection and localization of GRBs in the GeV energy range by the LAT instrument, is allowing us to enrich the sample of of GRBs with known redshift and reliable estimate of Ep,i, and, thus, to further test the robustness, reliability and extension of this correlation. Based on published results and preliminary spectral data available as of the end of 2009, it is found that the locations in the Ep,i - Eiso plane of Fermi long and short GRBs with measured redshift, including extremely energetic events, are consistent with the results provided by previous / other experiments.

研究の動機と目的

• Fermi GBMからの高精度スペクトルデータを用いて、$E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$相関の頑健性を検証すること。
• Fermi GRB、特に高エネルギーおよび短時間バーストが、過去のミッションで観測された既存の相関に従うかどうかを評価すること。
• 機器的および選択的要因が、相関の分散と傾きに与える影響を評価すること。
• GeV放射を示す極めて高エネルギーなGRB（例：080916C、090323）が、相関と整合的であるかどうかを調査すること。
• 長期間GRBと短時間GRBが$E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$平面上で明確に分離されることを確認し、それらの発光機構の違いを支持すること。

提案手法

• GCNsおよびGBMデータリリースから、Fermi GRBの赤方偏移、フラーネンス、スペクトルパラメータ（例：$E_{\rm p,i}$、$\alpha$、$\beta$）を取得した。
• Amatiら（2002年）の手法に従い、静止系での$\nu F_\nu$ピークエネルギーと等方的エネルギーフラーネンスを用いて$E_{\rm iso}$を計算した。
• GRBを$E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$平面上にプロットし、Fermiサンプルにべき乗則をフィットした：$E_{\rm p,i} \propto E_{\rm iso}^\alpha$。
• Fermi独自の相関の傾きと固有分散（$\sigma$）を、過去のミッション（例：BATSE、Swift）から得られた既存の相関と比較した。
• 高エネルギーイベント（例：080916C、090323）を分析し、$E_{\rm iso}$の計算を10 GeVまで拡張してスペクトルのずれを検証した。
• Spearmanの順位相関係数を用いて、Fermiサンプルにおける$E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$相関の強さを定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移とGBMスペクトルパラメータが測定されたFermi GRBは、既存の$E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$相関に従うか？
• RQ2 Fermi GRBにおける$E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$相関の傾きと固有分散は、過去のミッションから得られた値と整合的か？
• RQ3 GeV放射を示す極めて高エネルギーなGRB（例：080916C、090323）は、$E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$平面上でどのように振る舞うか？
• RQ4 短時間GRB、特に赤方偏移が測定されたGRB 090510は、$E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$相関から逸脱するか？（以前の研究で示されたように）
• RQ5 機器的要因やエネルギー帯制限が、観測された相関にバイアスを及える程度はどの程度か？

主な発見

• Fermi長期間GRBにおける$E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$相関は頑健であり、べき乗則の傾きは約0.5であり、BATSEおよびSwiftからの以前の結果と一致する。
• 固有分散は$\sigma(\log E_{\rm p,i}) \sim 0.2$デシベルと測定され、Fermi、BATSE、Swiftのデータセット間で一貫している。
• Fermi GRB、特に高エネルギーイベントのGRB 080916CおよびGRB 090323ですら、既存の相関上に一貫して位置しており、$E_{\rm iso}$を10 GeVまで計算しても同様である。
• 赤方偏移が測定された短時間GRB、GRB 090510は、$E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$相関から明確に逸脱しており、以前の研究の結果を確認した。
• 108個の長期間GRBにおけるSpearmanの順位相関係数は$\rho = 0.86$であり、強い単調な関係があることを示している。
• エネルギー帯を10 GeVまで拡張して計算しても、相関は安定しており、傾きや分散に顕著な変化は認められず、相関が物理的に意味を持つものであり、機器的アーチファクトではないことを示唆している。