[논문 리뷰] Redshifts For 224 BATSE Gamma-Ray Bursts Determined by Variability and the Cosmological Consequences

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

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 감마선 폭발(GRBs)에서의 변동성-광도 관계를 제안하여, 광학 데이터 없이도 감마선 데이터만으로도 적색편이를 추정할 수 있도록 한다. 이 관계는 시간적 변동성을 거리 지표로 사용한다. 224개의 BATSE GRB에 적용한 결과, GRB의 발생률은 (1+z)^{3.6±0.3} 비례함을 발견하여, z≈2를 넘어서도 별 형성 활동이 지속될 수 있음을 시사하며, 이는 먼지 영향을 받는 SFR 관측 결과와 도전적인 대비를 이룬다.

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 luminosity. 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 224 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 rate scales as (1+z)^{3.6 \\pm 0.3} and is roughly consistent with the SFR at z < 1.5. The SFR observations 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 at least until z \\sim 3. We have used the SFR 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 -2.9 that rolls over at low luminosity. 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

• 광학 데이터 없이도 적색편이 추정을 위한 도구로 사용할 수 있는 GRB의 변동성-광도 관계 수립.
• 광도 함수나 GRB 발생률이 별 형성률(SFR)을 따르는 가정 없이도 적색편이에 따라 변화하는 GRB 발생률 유도.
• SFR를 사전 정보로 사용하여 탐지 임계값의 부족으로 인한 비완전성으로부터 관측된 GRB 광도 함수를 보정.
• GRB가 별 형성과 관련이 있는지 테스트하고 고적색편이 우주론에 대한 함의를 평가.

제안 방법

• BATSE 데이터베이스에서 224개의 밝고 장수의 GRB의 시간적 변동성을 측정하여 제안된 Cepheid 유사 상관관계를 통해 내재 광도를 추정.
• 유도된 광도-거리 관계를 사용하여 감마선 빛의 변화 곡선에서 직접적으로 적색편이를 추정.
• 탐지 임계값의 비완전성으로부터 관측된 광도 함수를 보정하기 위해 별 형성률(SFR)을 사전 정보로 사용.
• 보정된 광도 함수에 대해 거칠기 지수와 낮은 광도에서의 전환점을 결정하기 위해 파워법칙 피팅 적용.
• 적색편이에 따른 GRB 발생률에 대해 파워법칙 피팅을 사용하여 (1+z)^α 형태로 가정하고 데이터로부터 α를 제약.
• 유도된 GRB 발생률 진화를 SFR 관측 결과와 비교하여 일관성 여부 평가 및 고적색편이에서 먼지 영향 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 빛의 변화 곡선에서의 시간적 변동성은 광학 데이터 없이도 내재 광도 및 적색편이 추정에 사용될 수 있는가?
• RQ2 광도 함수나 SFR에 대한 가정 없이도 GRB 발생률의 적색편이 진화는 어떻게 되는가?
• RQ3 관측된 GRB 발생률 진화는 표준 모델에서 GRB가 별 형성과 관련이 있음을 지지하는가 아니면 도전하는가?
• RQ4 탐지 임계값의 비완전성으로부터 보정된 후 GRB 광도 함수는 어떻게 행동하는가?
• RQ5 데이터는 별 형성률이 z≈2에서 최고에 이르는지 아니면 더 높은 적색편이까지 증가하는지를 시사하는가?

주요 결과

• 현재는 단 7건의 사건에 기반하지만, 변동성-광도 관계는 감마선 데이터만으로도 적색편이 추정이 가능하게 한다.
• GRB 발생률은 (1+z)^{3.6±0.3} 비례로 나타나 z≈1.5를 넘어서 적색편이가 증가함을 시사한다.
• z < 1.5 범위에서 GRB 발생률은 SFR과 거의 일치하여, GRB가 별 형성의 지표로 사용될 수 있음을 지지한다.
• 보정된 GRB 광도 함수는 약 -2.9의 파워법칙 지수를 가지며, 낮은 광도에서 전환점을 보인다.
• 결과적으로 별 형성률이 z≈2에서 정점에 이르지 않고, 적어도 z≈3까지 증가할 수 있음을 시사하며, 먼지 영향을 받는 SFR 관측 결과와는 정반대이다.
• 만약 변동성-광도 관계가 확인된다면, 고적색편이 우주를 탐색하는 데 강력한 도구가 될 것이다.