[논문 리뷰] Is the Gamma Ray Bursts emission suppressed at high energy?

D. Guetta, E. Pian|ArXiv.org|2009. 10. 12.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 페르미-GBM, BATSE, 그리고 스위프트-BAT의 피크 플럭스 분포를 비교하여 고에너지 감마선 폭발(GRB) 방출이 100 MeV를 초과해 억제되는지 여부를 조사한다. 그 결과, LAT의 고에너지 GRB 탐지율이 낮은 것은 단순한 싱크로트론 외삽으로는 설명되지 않으며, 이는 GRB090217 및 GRB090202b와 같이 GBM 스펙트럼이 연한 몇몇 폭발에서 >100 MeV 방출이 본질적으로 억제됨을 시사한다.

ABSTRACT

We compare the luminosity function and rate inferred from the GBM long bursts peak flux distribution with those inferred from the Swift and BATSE peak flux distribution. We find that the GBM, BATSE and the Swift peak fluxes can be fitted by the same luminosity function implying the consistency of these three samples. Using the trigger algorithm of the LAT instrument we derive important information on the flux at 100 MeV compared to lower energy detected by the GBM. We find that the simple extension of the synchrotron emission to high energy cannot justify the low rate of GRBs detected by LAT and for several GRBs detected by the GBM, the flux at >100 MeV should be suppressed. Two bursts, GRB090217 and GRB 090202B, detected by LAT have very soft spectra in the GBM and therefore their high energy emission cannot be due to an extension of the synchrotron.

연구 동기 및 목표

• GRB의 고에너지 방출이 100 MeV 이상에서 억제되는지 평가하여 단순 싱크로트론 외삽 가정에 도전한다.
• 페르미-GBM, BATSE, 그리고 스위프트-BAT GRB 샘플 간의 빛의 강도 함수와 감쇠율 변화의 일관성을 시험한다.
• GBM로 탐지된 폭발 기반으로 LAT 기기의 감도와 고에너지 GRB 반영원의 기대 탐지율을 평가한다.
• LAT에 의해 탐지된 GRB 수가 매우 적은 것(30 MeV 이상에서 10개)이 기기 한계 때문인지, 아니면 본질적 스펙트럼 억제 때문인지 규명한다.
• 특히 LAT로 탐지된 고에너지 GRB의 스펙트럼 특성을 분석하여 고에너지 방출의 물리적 메커니즘을 이해한다.

제안 방법

• 50–300 keV 대역에서 장수 GRB의 피크 플럭스 분포를 GBM, BATSE, 스위프트-BAT에 대해 적합하여 빛의 강도 함수와 감쇠율 변화를 추론한다.
• 모든 세 샘플에 대해 $ \chi^2 $ 최소화를 사용하여 $ L^* $, $ \alpha $, $ \beta $, 그리고 적색편이 의존성 감쇠율을 포함한 빛의 강도 함수 모델(LFb)을 적용한다.
• 단순 스펙트럼 외삽을 가정할 때, LAT 트리거 알고리즘을 사용하여 GBM로 탐지된 GRB에 대한 기대 고에너지(100 MeV–10 GeV) 플럭스를 추정한다.
• 장면 시야와 감도 기반 기대 LAT 탐지율을 실제 관측 탐지율과 비교하여 본질적 억제를 추론한다.
• LAT로 탐지된 GRB의 스펙트럼 파rameter들(예: $ E_{\rm peak} $, $ \alpha $, $ \beta $)을 분석하고 GBM 데이터와 비교하여 고에너지에서의 스펙트럼 연함을 평가한다.
• 스펙트럼 에너지 분포에 Band 함수와 파워 레인지 모델을 적용하여 표준 싱크로트론 방출과의 편차를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LAT에 의한 탐지율이 GBM에 비해 낮다는 점으로 볼 때, GRB의 고에너지 방출이 100 MeV 이상에서 억제되는가?
• RQ2 GBM, BATSE, 스위프트-BAT GRB 샘플에서 추론된 빛의 강도 함수와 감쇠율 변화는 일관된 성질을 보이는가?
• RQ3 LAT에 의해 탐지된 GRB 수가 매우 적은 것(30 MeV 이상에서 10개)이 기기 감도만으로 설명될 수 있는가, 아니면 본질적 스펙트럼 억제가 필요한가?
• RQ4 LAT로 탐지된 GRB는 GBM 대역에서 연한 스펙트럼을 보이며, 고에너지 방출의 물리적 억제를 시사하는가?
• RQ5 관측된 고에너지 GRB의 스펙트럼 형태가 단순 싱크로트론 외삽으로부터 얼마나 벗어나 있는가?

주요 결과

• GBM, BATSE, 스위프트-BAT 피크 플럭스 분포에서 유도된 빛의 강도 함수와 감쇠율 변화는 일관되며, 최적의 적합을 위한 LFb 모델은 모든 샘플에서 $ \chi^2 \sim 1.3 $을 나타낸다.
• GBM 샘플의 빛의 강도 함수 파rameter는 $ L^* = 5.5^{+1.5}_{-2} \times 10^{51} $ erg/s, $ \alpha = 0.3^{+0.1}_{-0.5} $, $ \beta = 2.3^{+0.6}_{-0.3} $이며, 적색편이 z=0에서의 감쇠율은 $ 0.5^{+0.3}_{-0.2} $ Gpc⁻³yr⁻¹이다.
• 단순 스펙트럼 외삽을 가정할 경우, LAT의 기대 탐지율은 GBM 탐지 폭발의 약 1/3 수준(30 MeV 이상)이지만, 실제로는 약 5%에 불과하여 심각한 괴리가 있음을 시사한다.
• GRB090217 및 GRB090202b의 경우 GBM 스펙트럼이 매우 연하고, 고에너지 방출은 단순 싱크로트론 외삽으로는 설명될 수 없어, 본질적 억제가 있음을 시사한다.
• LAT 탐지율은 이전의 EGRET 대비 BATSE 통계와 일치하여, 고에너지 방출의 본질적 부족성, 즉 기기 편향이 아니라 고에너지 방출의 본질적 부족함을 시사한다.
• LAT로 탐지된 GRB의 스펙트럼 파rameter들(예: $ E_{\rm peak} $는 최대 798 keV, $ \beta \approx -3.87 $)은 딱딱한 스펙트럼을 나타내지만, >100 MeV에서의 낮은 플럭스는 단순 외삽과 모순되며, 억제를 지지한다.