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

Rui-Jing Lu, Hai-Ming Zhang외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 18.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 9년간의 페르미/GBM 데이터에서 275개의 일반적인 단기 감마선 폭발(sGRBs)과 48개의 sGRB 170817A 유사한 약한 사건을 포함하는 카탈로그를 제시하며, 빛의 세기 변화 패턴이 두 가지로 나뉘고 지속시간 및 피크 에너지 분포에 대해 일시적인 이중분포 특성을 보임을 밝혀내었다. 이는 sGRB 170817A 유사 사건이 중성자별-중성자별 융합에서 기인할 수 있으며, 패턴 I sGRBs는 다른 원천 집단에서 유래할 수 있음을 시사한다.

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 $\Gamma=0.69\pm 0.40$. 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 $\Gamma$ 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

• 페르미/GBM가 9년간 운영 기간 동안 탐지한 단기 감마선 폭발(sGRBs)의 포괄적인 카탈로그를 작성하기 위해.
• GW 170817-GRB 170817A 연관성의 맥락에서 sGRB 170817A 유사한 약한 sGRBs의 특성을 조사하기 위해.
• 빛의 세기 변화 형태, 스펙트럼 특성, 지속시간 분포를 바탕으로 sGRBs의 잠재적 하위집단을 식별하기 위해.
• $T_{90}$, $E_p$, 및 스펙트럼 기울기 $\Gamma$ 간의 상관관계를 분석하여 원천 다양성을 평가하기 위해.
• sGRB 170817A 유사 사건이 일반적인 sGRBs와 다른 원천을 가진 별개의 클래스를 이룬다는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 2217개의 감마선 폭발에서 페르미/GBM 데이터를 분석하여 빛의 세기 변화 형태에 기반해 단기 감마선 폭발을 식별하고 분류하기 위해.
• sGRB 빛의 세기 변화를 두 패턴으로 분류: 단일 사건(Pattern I, 61%)과 다중 사건(Pattern II, 39%).
• 피크 에너지($E_p$) 및 스펙트럼 기울기($\Gamma = 0.69 \pm 0.40$)를 유도하기 위해 스펙트럼을 절단된 파wer-law 모델로 피팅하기 위해.
• $T_{90}$, $E_p$, 및 $\Gamma$ 분포의 이중분포 특성과 상관관계를 통계적으로 검토하기 위해.
• 일반적인 sGRBs의 $E_{\text{iso}}-E_{\text{iso,p}}$ 관계와 비교하여 GRB 170817A의 $E_{\text{iso}}$ 및 $E_{\text{iso,p}}$를 분석하기 위해.
• sGRB 170817A의 특성을 평가하고 분류하기 위해 $E_{\text{iso}}$ 및 $L_{\text{iso}}$를 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페르미/GBM sGRB 샘플에서 물리적 메커니즘의 차이를 암시하는 뚜렷한 빛의 세기 변화 형태가 존재하는가?
• RQ2 sGRBs의 $E_p$ 분포는 이중분포 특성을 보이며, 만약 그렇다면 원천 집단에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ3 sGRB 집단 내에서 $T_{90}$, $E_p$, 및 스펙트럼 기울기 $\Gamma$ 간에 상관관계가 존재하는가?
• RQ4 sGRB 170817A의 특성은 $E_p$, $L_{\text{iso}}$, 및 $E_{\text{iso}}$ 측면에서 일반적인 sGRB 집단과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 sGRB 170817A 유사한 약한 sGRBs는 일반적인 sGRBs와 다른 원천을 가진 별개의 클래스를 이룬다 할 수 있는가?

주요 결과

• 페르미/GBM sGRB 샘플에는 일반적인 sGRBs 275개와 sGRB 170817A 유사한 약한 사건 48개가 포함되어 있으며, 빛의 세기 변화는 61%가 패턴 I(단일 사건)이고 39%가 패턴 II(다중 사건)로 나뉜다.
• 지속시간($T_{90}$) 및 피크 에너지($E_p$) 분포는 일시적인 이중분포 특성을 보이며, $E_p$ 피크는 각각 145 keV 및 500 keV에 위치한다.
• 스펙트럼 기울기($\Gamma$)는 $0.69 \pm 0.40$ 주변으로 분포하며, 4개의 sGRBs는 절단된 파워 레인지 모델에 잘 맞지 않는다.
• $T_{90}$, $E_p$, 및 $\Gamma$ 간에 유의미한 상관관계는 발견되지 않아 다양한 복사 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• GRB 170817A는 부드럽고 약한 sGRB로, $E_p = 124 \pm 106$ keV, $L_{\text{iso}} = (5.67 \pm 4.65) \times 10^{46}$ erg s$^{-1}$, $E_{\text{iso}} = (3.23 \pm 2.65) \times 10^{46}$ erg이며, 일반적인 sGRBs의 $E_{\text{iso}}-E_{\text{iso,p}}$ 관계와 일치한다.
• 두 가지 빛의 세기 변화 패턴과 이중분포 특성을 띠는 $E_p$ 및 $T_{90}$ 분포는 두 개의 서로 다른 sGRB 집단이 존재함을 시사하며, sGRB 170817A 유사 사건은 중성자별-중성자별 융합에서 기인하고 패턴 I sGRBs는 다른 원천 시스템에서 유래할 가능성이 있다.