[論文レビュー] The local energy production rates of GRB photons and of UHECRs

Eli Waxman|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、2010年の分析が、超高エネルギー宇宙線（UHECR）の生成率がガンマ線バースト（GRB）の光子エネルギー生成率を10^2.5倍も上回ると示唆していた乖離を解消する。GRB検出における観測バイアスを補正し、銀河系内から銀河系外への宇宙線遷移エネルギーを約10^19 eVと仮定することで、整合性が回復する：Q_MeV,GRB^z=0 ≈ Q_10EeV^z=0。

ABSTRACT

In a recent analysis it was found that the local (z=0) rate at which gamma-ray bursts (GRBs) produce energy in 1 MeV photons, Q_GRB(z=0), is 300 times lower than the local energy production rate in ultra-high energy cosmic-rays. This may appear to be in contradiction with earlier results, according to which Q_GRB(z=0) is similar to the local energy production rate in >10^{19} eV cosmic-rays, Q_{10EeV}(z=0). This short (1 page) note identifies the origin of the apparent discrepancy and shows that Q_GRB(z=0) \sim Q_{10EeV}(z=0) holds.

研究の動機と目的

• Eichlerら（2010年）がz=0においてUHECR生成率がGRB光子エネルギー生成率の約10^2.5倍であると示唆した、以前の推定値との明らかな矛盾を解消すること。
• この乖離の原因を、銀河系外宇宙線遷移エネルギーに関する仮定と、銀河系外源のスペクトル延長に関する仮定に焦点を当てて検討すること。
• 非発動の微弱・遠方のバーストを含む観測バイアスを補正することで、GRB光子の局所エネルギー生成率（Q_MeV,GRB^z=0）を再評価すること。
• 適切な全波長補正および源の進化モデルを適用した場合、推定されたUHECR生成率（Q_XG^z=0）がGRB光子エネルギー生成率と整合するかどうかを評価すること。
• GRBの全光度関数および宇宙線源分布に関する現実的な仮定のもとで、Q_MeV,GRB^z=0 ≈ Q_10EeV^z=0が成り立つかを特定すること。

提案手法

• z≈1.5におけるBATSEの感度限界未満の非発動バーストを考慮し、修正されたGRB検出閾値を用いてQ_MeV,GRB^z=0を再評価する。
• GRB光子エネルギー生成率に全波長補正を適用し、1 MeV帯外の放射による影響を考慮して、Q_γ,GRB^z=0 / Q_MeV,GRB^z=0 > 1 であると推定する。
• 観測されたUHECRスペクトルと、銀河系外宇宙線遷移エネルギーを約10^19 eVと仮定することで、ε > 10^19.5 eVにおけるQ_XG^z=0 = 5×10^43 erg/Mpc³/yrを導出し、以前の推定値と整合する。
• 銀河系外源スペクトルを10^18 eV未満まで延長した場合、スペクトルが数十年にわたって延びるならば、Q_XG^z=0は約10倍に増加する。
• Eichler ら（2010年）が推定したQ_XG^z=0と、修正されたQ_MeV,GRB^z=0を比較し、乖離は低い遷移エネルギーと延長されたXGスペクトルを仮定したことに起因することを明らかにする。
• GRB光子とUHECRの両方に全波長補正係数を適用し、GRBの発生率の進化および全光度関数に関する不確実性のため、Q_XG^z=0 / Q_γ,GRB^z=0 の比に不確実性が生じることを認識する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜEichler ら（2010年）はQ_XG^z=0 ≈ 10^2.5 × Q_MeV,GRB^z=0 に到達し、以前の推定値と矛盾するのか？
• RQ2 特に非発動の微弱・遠方バーストを含むGRB検出における観測バイアスが、推定されるQ_MeV,GRB^z=0 にどのように影響するか？
• RQ3 銀河系外宇宙線遷移エネルギーを10^19 eV未満に仮定した場合、推定されるUHECR生成率にどのような影響を与えるか？
• RQ4 銀河系外源スペクトルを10^18 eV未満まで延長した場合、Q_XG^z=0 はQ_10EeV^z=0 に対してどの程度増加するか？
• RQ5 検出バイアスと適切な全波長補正を補正することで、UHECRとGRBエネルギー生成率の明らかな乖離は解消可能か？

主な発見

• Q_MeV,GRB^z=0 と Q_XG^z=0 の明らかな乖離は、主にEichler ら（2010年）が銀河系外遷移エネルギーを10^19 eV未満に非常に低いエネルギーで仮定したことに起因する。
• 特にz≈1.5における非発動バースト（典型的なGRBの全光度に相当する閾値付近）を補正することで、Q_MeV,GRB^z=0 は約3〜5倍に増加する。
• Eichler ら（2010年）が推定したQ_MeV,GRB^z=0 は、時間平均のGRB放射の低減と微弱バーストの見逃しにより、以前の推定値よりも約10倍低く見積もられていた。
• 検出バイアスを補正した後、Q_MeV,GRB^z=0 ≈ 5×10^42 erg/Mpc³/yr となり、以前の推定値と整合し、Q_10EeV^z=0 と一致する。
• 銀河系外遷移エネルギーを約10^19 eV、かつXGスペクトルが10^19 eV未満で数十年にわたって延長されるという仮定のもとで、Q_XG^z=0 / Q_10EeV^z=0 ≈ 10 となり、観測されたUHECRフラックスと整合する。
• GRB全光度関数の進化、全波長補正、XGスペクトルの実際の延長に関する不確実性のため、Q_XG^z=0 / Q_γ,GRB^z=0 の比は不確実である。