[논문 리뷰] {\em Fermi}/GBM Short Gamma-ray Burst Catalog and Case Study for GRB 170817A/GW 170817

Rui-Jing Lu, Shen-Shi Du외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 19.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 9년 간의 관측에서 275개의 일반적인 단기 감마선 폭발(sGRBs)과 48개의 sGRB 170817A 유사 약한 사건을 포함하는 포괄적인 Fermi/GBM 카탈로그를 제시한다. 빛의 세기 변화 패턴, 스펙트럼 특성, 시간 분포를 분석한 결과, 두 가지의 명확한 빛의 세기 변화 형태(패턴 I: 단일 사건, 61%; 패턴 II: 다중 사건, 39%)를 확인했으며, $T_{90}$과 $E_{\rm mp}$에 대해 잠재적인 이중분포가 관측되어 두 가지 다른 원천 시스템을 시사한다. sGRB 170817A 유사 사건은 주로 중성자별-중성자별 융합에서 기인할 가능성이 있으며, 패턴 I 사건은 다른 원천 시스템에서 유래했을 가능성이 있다.

ABSTRACT

Motivating by the discovery of association between GW 170817 and sGRB 170817A, we present a comprehensive analysis for sGRBs observed with Fermi/GBM in 9 operation years and study the properties of sGRB 170817A -like events. We derive a catalog of 275 typical sGRBs and 48 sGRB 170817A-like weak events from the GBM data of 2217 GRBs. We visibly identify two patterns of their light curve, single episode (Pattern I, 61\% of the SGRBs) and multiple episodes (Pattern II, 39\% of the SGRBs). Their duration distribution shows a tentative bimodal feature. Their spectra can be fitted with a cutoff power-law model, except for 4 sGRBs, and the spectral indices normally distribute at $Γ=0.69\pm 0.40$. Their $E_p$ values show a tentative bimodal distribution with peaks at 145 keV and 500 keV. No correlation among $T_{90}$, $E_p$, and $Γ$ is found. GRB 170817A is a soft, weak sGRB with $ E_{p}=124\pm 106$ keV, $L_{ m iso}=(5.67\pm4.65) imes10^{46} m ~erg~s^{-1}$, and $E_{ m iso}=(3.23\pm2.65) imes10^{46} m ~erg$. It follows the $E_{ m iso}-E_{ m p}$ relation of typical short GRBs. Its lightcurve is of Pattern II. Two lightcurve patterns, together with the potential two components in the $E_{ m p}$ and $T_{90}$ distributions, we suspect that the current sample may include two distinct types of sGRBs from different progenitors. sGRB 170817A-like events may be from NS-NS mergers and those sGRBs with a Pattern I lightcurve may be from another distinct type of compact binary.

연구 동기 및 목표

• Fermi/GBM가 9년간 운영하는 동안 탐지한 단기 감마선 폭발(sGRBs)의 체계적인 카탈로그를 작성하기 위해.
• sGRB 170817A 유사 약한 sGRBs의 특성과 일반적인 sGRB 집단과의 비교를 위해.
• sGRB 170817A 유사 사건이 다른 원천을 가진 별개의 sGRB 클래스를 대표하는지 확인하기 위해.
• 빛의 세기 변화 형태, 스펙트럼 파rameters, 시간 분포를 분석하여 잠재적인 이중분포 특징을 규명하기 위해.

제안 방법

• 에너지 의존성 빛의 세기 변화와 스펙트럼을 확보하기 위해 Fermi/GBM 및 LAT 기구에서 데이터를 추출하였으며, $gtBurst$ 패키지를 사용하였다.
• 통계적으로 유의미한 방출 사건으로 빛의 세기 변화를 분할하기 위해 베이지안 블록 알고리즘을 적용하여, 사건을 패턴 I(단일 사건)와 패턴 II(다중 사건)로 분류하였다.
• 스펙트럼 피팅은 절단된 파워 띠 법 모델을 사용하였으며, 각 폭발에 대해 $E_{\rm p}$, $\Gamma$, 및 복사원소 파rameters를 유도하였다.
• 통계적 분석에는 $T_{90}$과 $E_{\rm p}$ 분포를 정규분포 및 이중 정규분포 함수로 피팅하여 이중분포의 존재 여부를 검증하기 위한 것이 포함되었다.
• GRB 170817A에 적용된 동일한 기준을 사용하여 GBM 데이터 아카이브에서 유사한 약한 sGRBs를 심층 탐색하였다.
• 표본을 사용하여 $E_{\rm iso}-E_{\rm p}$ 관계를 검증하고 이론적 모델과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 sGRB 170817A 유사 약한 sGRBs는 일반적인 sGRBs와 빛의 세기 변화 형태와 스펙트럼 특성에서 별개인가?
• RQ2 sGRBs의 $T_{90}$ 분포는 이중분포를 보이며, 두 가지 물리적으로 별개의 집단을 시사하는가?
• RQ3 $E_{\rm p}$에 이중분포가 존재하는가? 만약 그렇다면 원천 다양성에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 sGRB 170817A 유사 사건은 일반적인 sGRBs에서 관찰된 표준 $E_{\rm iso}-E_{\rm p}$ 관계를 따르는가?
• RQ5 빛의 세기 변화 패턴 두 가지(패턴 I 및 II)는 원천 시스템 측면에서 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• sGRB 표본은 일반적인 sGRBs 275개와 sGRB 170817A 유사 약한 사건 48개로 구성되어 있으며, 61%는 패턴 I(단일 사건), 39%는 패턴 II(다중 사건)로 분류되었다.
• $T_{90}$ 분포는 약 0.5초와 2.5초에 피크를 보이는 잠재적인 이중분포 특징을 보였다.
• 스펙트럼 기울기 $\Gamma$는 약 $0.69 \pm 0.40$ 주변에 분포되어 있으며, $E_{\rm p}$는 145 keV와 500 keV에 피크를 보이는 잠재적인 이중분포를 보였다.
• GRB 170817A는 $E_{\rm p} = 124 \pm 106$ keV, $L_{\rm iso} = (5.67 \pm 4.65) \times 10^{46}$ erg s$^{-1}$, $E_{\rm iso} = (3.23 \pm 2.65) \times 10^{46}$ erg이며, 일반적인 sGRBs의 $E_{\rm iso}-E_{\rm p}$ 관계를 따르고 있다.
• $T_{90}$, $E_{\rm p}$, $\Gamma$ 사이에 유의미한 상관관계는 발견되지 않아 독립적인 물리적 과정을 시사한다.
• 두 가지 빛의 세기 변화 패턴과 이중분포 $T_{90}$ 및 $E_{\rm p}$ 분포의 존재는 두 가지 별개의 sGRB 집단이 존재한다는 가설을 지지한다. sGRB 170817A 유사 사건은 주로 중성자별-중성자별 융합에서 기인할 가능성이 있으며, 패턴 I 사건은 다른 원천 시스템에서 기인했을 가능성이 있다.