[논문 리뷰] Redshifts For 220 BATSE Gamma-Ray Bursts Determined by Variability and the Cosmological Consequences

E. Fenimore, E. Ramírez-Ruiz|arXiv (Cornell University)|2000. 04. 13.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 BATSE 데이터에서 시간 도메인 성질을 사용하여 감마선 폭발(GRBs)에서 Cepheid 유사한 변동성-광도 관계를 제안한다. 이 방법을 통해 광학 데이터가 없는 220개의 장수 GRB에 대해 적색편이와 광도를 추정한다. 그 결과 GRB 형성률은 (1+z)^{3.3±0.3} 비례함을 보이며, 이는 먼지 영향을 받는 광학 기반 SFR 모델에 도전하는 바, 항성 형성이 z~10까지 계속 증가할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We show that the time variability of a gamma-ray burst (GRB) appears to be correlated with the absolute luminosity of the burst: smooth bursts are intrinsically less luminous. This Cepheid-like relationship can be used to determine the redshift of a GRB from parameters measured solely at gamma-ray energies. The relationship is based on only seven events at present and needs to be further confirmed with more events. We present the details of converting GRB observables to luminosities and redshifts for 220 bright, long GRBs from the Burst and Transient Source Experiment (BATSE) and explore the cosmological consequences. In particular, we derive the GRB rate as a function of $z$ without assuming either a luminosity function or that the GRB rate follows the star formation rate (SFR). We find that the GRB formation rate scales as (1+z)^{3.3 \pm 0.3}. The observations used to derive the SFR can be strongly affected by dust for z > 2 whereas GRB observations are not. If GRBs trace star formation, then our results indicate that the SFR does not peak at z\sim 2 but instead continues to increase until z \sim 10. We have used the burst formation rate to correct the observed GRB luminosity function for the incompleteness due to the detection threshold, resulting in a luminosity function with a power law index of \sim -2.3 that slightly rolls over at low luminosities. The reality of our variability--luminosity relationship requires confirmation but, if valid, will provide a powerful tool for studying both GRBs and the early universe.

연구 동기 및 목표

• 광후광이나 광학 데이터에 의존하지 않고, 단지 감마선 시간 변화성만을 사용하여 GRB의 적색편이 추정 방법을 수립하기 위해.
• 관측된 GRB의 변동성이 그들 내재 광도와 관련이 있는지, Cepheid 주기-광도 관계와 유사한가를 테스트하기 위해.
• 광도 함수를 가정하거나 GRB 발생률이 항성 형성률(SFR)을 따른다는 가정 없이, 적색편이에 따른 GRB 형성률을 유도하기 위해.
• 유도된 형성률을 사용하여 탐지 임계치의 부족으로 인한 불완전성으로부터 관측된 GRB 광도 함수를 보정하기 위해.
• 특히 고적색편이에서 항성 형성률의 진화를 다루는 천체물리적 함의를 평가하기 위해, 먼지 영향을 받지 않는 GRB 데이터를 사용한다.

제안 방법

• 변동성을 저주파수 필터링 후 시간 히스토그램의 평균 제곱으로 정의하여, 폭발의 복잡성의 대체 지표로 사용한다.
• 기본 적색편이 z_b = 2를 사용하여, 알려진 적색편이를 가진 일곱 개의 BATSE GRB를 사용해 변동성-광도 관계를 교정한다.
• 관측된 광선 곡선을 보정하기 위해 시간 확장 보정 인자 Y = (1+z)/(1+z_b)를 적용하여 스펙트럼 에너지 이동과 시간 스트레칭을 고려한다.
• 에너지 대역이 2배로 이동된 채널(1과 2) 간의 변동성 비율을 사용해 에너지 의존 보정을 추정하며, Y=2일 때 중앙값 보정 인자가 약 0.85임을 발견한다.
• 교정된 관계를 이용해 BATSE 목록의 220개의 밝고 장수 GRB에 대해 T90, P256, E_peak 등의 관측 가능 변수를 사용해 광도와 적색편이를 추정한다.
• 광도 함수를 반전하고 탐지 임계치 보정을 적용함으로써, 광도 함수가 멱법칙 꼴임을 가정하여 적색편이에 따른 GRB 형성률을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB의 광선 곡선의 시간 변화성이 표준 캔들로 사용되어 그 적색편이와 광도를 추정하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 GRB의 변동성과 내재 광도 사이에 Cepheid 유사 관계가 존재하는가, 그리고 샘플 전반에 걸쳐 견고한가?
• RQ3 광도 함수나 항성 형성 역사에 대한 가정 없이 진정으로 적색편이에 따라 변화하는 GRB 형성률은 무엇인가?
• RQ4 탐지 임계치로 인한 기기의 한계로 인한 불완전성으로 보정된 GRB 광도 함수는 어떻게 진화하는가?
• RQ5 GRB 형성률은 고적색편이(z > 2)에서 항성 형성률이 계속 증가할 수 있음을 시사하는가, 광학 관측 결과와는 정반대인가?

주요 결과

• 알려진 적색편이를 가진 일곱 개의 GRB를 기반으로 교정된 변동성-광도 관계를 통해, 광학 데이터 없이도 220개의 장수 BATSE GRB에 대해 적색편이와 광도를 추정할 수 있다.
• GRB 형성률은 (1+z)^{3.3±0.3} 비례하며, 이는 z~10까지 GRB 발생률이 크게 증가함을 시사하며, 광학 데이터로부터 유도된 z~2에서 피크에 도달하지는 않을 수 있음을 시사한다.
• 유도된 형성률을 사용해 탐지 임계치 보정을 한 관측된 GRB 광도 함수는 4×10^51 erg s^-1 이상에서 멱법칙 기울기 약 -2.3이며, 낮은 광도에서 약간의 붕괴가 관측된다.
• BATSE는 광도 함수 기울기가 -1.9인 멱법칙을 가정할 경우, z<2의 GRB의 18%와 z<10의 GRB의 3%만 탐지한다. 향후 기준이 5배 낮은 임계치를 가진 임무는 각각 58%와 11%를 탐지할 것이다.
• 향후 기기의 임계치가 5배 낮고 광도 함수 기울기가 -2.3일 경우, BATSE 대비 스테레오디언당 5배 더 많은 폭발을 탐지할 수 있다.
• 데이터에 시간 확장 효과가 관측되지 않아 변동성-광도 관계의 검증이 약화되지만, 더 많은 적색편이가 확인된 GRB가 확보되기 전까지는 이 방법이 타당하다.