[논문 리뷰] New insights on the duration distribution of long GRBs from Collapsars

Omer Bromberg, Ehud Nakar외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 27.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 여러 위성에서 관측된 장수 감마선 폭발(LGRBs)의 지속시간 분포에서 관측된 플랫폼이 콜라프서 모델에서 조류가 터지는 데 걸리는 시간의 직접적인 관측적 증거임을 제안한다. 플랫폼은 엔진 활동과 터지는 데 걸리는 시간의 컨볼루션으로 발생하며, 이는 모델에 대한 강력한 증거를 제공하고, 봉쇄된 조류의 큰 인구가 존재한다는 것을 시사하며, 비-Collapsars를 분류하는 데 사용되는 2초 지속시간 기준이 스위프트 데이터와는 일치하지 않지만, BATSE와 아마도 페르미와는 타당하다고 보여준다.

ABSTRACT

According the Collapsar model long gamma-ray bursts (LGRBs) involve relativistic jets that puncture the envelope of a collapsing star, and produced the γ-rays after they break out. This model provides a theoretical framework for the well known association between LGRBs and massive stars. However although this association is supported by a wealth of observations, to this date there is no direct observational evidence for the emergence of the jet from the star. In other words there is no direct evidence for the Collapsar model. Here we show that a distinct signature of the Collapsar model is the appearance of a plateau in the duration distribution of the prompt GRB emission at times much shorter than the typical breakout time of the jet. This plateau is evident in the data of all major GRB satellites, and provides a direct evidence supporting the Collapsar model. It also enables us to place limits on the sizes and masses of LGRB progenitors; suggests the existence of a large population of choked (failed) GRBs; and indicates that the 2 s duration commonly used to separate Collapsars and non-Collapsars holds for BATSE and possibly Fermi GBM GRBs, but it is inconsistent with the duration distributions of Swift GRBs.

연구 동기 및 목표

• 현재 간접적 증거는 많지만 직접적 실험적 확인이 없는 콜라프서 모델의 직접적 관측적 증거를 식별하는 것.
• BATSE, 스위프트, 페르미 GBM 데이터에서 관측된 장수 감마선 폭발의 지속시간 분포에서 플랫폼의 기원을 설명하는 것.
• 지속시간 분포를 이용해 원천 항성의 특성을 제약하고, 봉쇄된(실패한) 감마선 폭발의 비율을 추정하며, 콜라프서와 비콜라프서를 분리하는 진짜 지속시간 기준을 결정하는 것.
• 감지기 에너지 반응과 선택 효과가 관측된 지속시간 분포와 감마선 폭발의 분류에 어떻게 영향을 미치는지 조사하는 것.

제안 방법

• 엔진 활동 시간 분포와 조류 터지는 데 걸리는 시간 분포의 컨볼루션으로 관측된 감마선 폭발의 지속시간 분포를 모델링하며, 식 $ t_{\text{γ}} = t_e - t_b $ 를 사용한다.
• 만약 $ t_{\text{γ}} \ll t_b $ 이면, $ p_e(t_b + t_{\text{γ}}) $ 가 일정하므로 $ p_{\text{γ}}(t_{\text{γ}}) $ 는 약간 평탄해지며, 이는 지속시간 분포에서 플랫폼을 유도한다.
• BATSE, 스위프트, 페르미 GBM에서 관측된 $ T_{90} $ 분포의 플랫폼을 이용해 일반적인 터지는 데 걸리는 시간 $ \hat{t}_b \sim $ 수십 초 정도로 추정한다.
• 지속시간 분포의 $ T_{90} \gtrsim 100 $ s 영역에서의 등급 법 꼬리($ p_{\text{γ}} \propto T_{90}^{\alpha} $, $ -4 < \alpha < -3 $) 를 외삽하여 $ t_b $ 이하에서 봉쇄된 조류의 수를 추정한다.
• 통계적 분석을 통해 세 위성 샘플의 데이터를 바탕으로 비콜라프서의 비율 $ f $ 를 $ T_{90} $ 의 함수로 계산하고, $ f = 0.5, 0.7, 0.9 $ 가 되는 $ T_{90} $ 를 결정한다.
• 감지기 에너지 반응과 선택 효과를 고려하기 위해, 감지기 간 전이 임계값을 비교한다: BATSE(가장 딱딱한), 스위프트(가장 연한), 페르미(중간).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장수 감마선 폭발의 지속시간 분포에서 관측된 플랫폼이 콜라프서 모델에 대한 직접적 증거인가?
• RQ2 다양한 위성 미션에서 장수 감마선 폭발의 $ T_{90} $ 분포에서 플랫폼의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ3 장수 감마선 폭발 중 실제로 봉쇄된(실패한) 조류의 비율은 얼마이며, 관측된 지속시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 일반적으로 사용되는 2초 지속시간 기준은 모든 감마선 폭발 감지기에서 콜라프서와 비콜라프서를 분리하는 데 타당한가?
• RQ5 감지기 에너지 반응과 선택 함수의 차이가 관측된 지속시간 분포와 감마선 폭발의 분류에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• BATSE, 스위프트, 페르미 GBM 데이터에서 관측된 장수 감마선 폭발의 지속시간 분포에서 플랫폼은 콜라프서 모델에서 조류가 터지는 데 걸리는 시간의 직접적 관측적 증거이다.
• 일반적인 터지는 데 걸리는 시간 $ \hat{t}_b $ 는 수십 초 정도로 추정되며, 이는 밀도 높은 항성 원천에 대한 이론적 예측과 일치한다.
• $ T_{90} \gtrsim 100 $ s 영역의 등급 법 꼬리 외삽을 통해, 성공한 장수 감마선 폭발보다 적어도 10배 이상 많은 봉쇄된 조류가 존재할 것으로 추정되며, 이는 실패한 감마선 폭발의 큰 인구가 존재한다는 것을 지지한다.
• 비콜라프서를 분류하는 데 사용되는 2초 지속시간 기준은 BATSE에 대해서는 타당하지만, 스위프트 데이터와는 일치하지 않으며, 전이점은 $ \sim 0.6 $ 초에서 발생한다.
• 페르미 GBM의 경우 전이 임계값은 $ \sim 1.7 $ 초이며, 이는 2초 기준이 오직 약간 적용 가능하며 감지기 민감도와 에너지 창에 따라 달라진다는 것을 시사한다.
• 스위프트 데이터에서는 $ T_{90} < 0.6 $ 초일 때 비콜라프서 비율이 50%를 초과하므로, 이 미션에서의 단단한 폭발은 대부분 비콜라프서임을 시사하며, BATSE와는 다름을 보여준다.