[논문 리뷰] Rest-frame properties of gamma-ray bursts observed by the Fermi Gamma-Ray Burst Monitor

D. Gruber|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 19.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 25인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 2012년 5월까지 페르미/GBM에 의해 감지된 적외선 적색편이가 측정된 47개의 파동성 방사선 폭발(GRBs)의 휴지프레임 스펙트럼 및 시간적 성질을 분석한다. 이는 이전에 보고된 것보다 더 큰 산란을 보이며 아마티 및 요네토키 관계를 확인하며, 휴지프레임 지속시간 $T_{90,\text{rest}}$ 에서는 적색편이의 진화가 없음을 발견했고, 장수 GRB에 대해 $E_{\rm p,rest}$ 에 대한 잠재적 간행 진화를 보고한다. 또한 단수 GRB 080905A 는 요네토키 관계에서 뚜렷한 이방성자로 나타났다.

ABSTRACT

In this talk I present the main spectral and temporal properties of Fermi/GBM gamma-ray bursts (GRBs) with known redshift. Key properties of these GRBs in the rest-frame of the progenitor are investigated to better understand the intrinsic nature of these events. The sample comprises 47 GRBs with measured redshift that were observed by GBM until May 2012. 39 sources belong to the long-duration population and 8 events were classified as short bursts. For all of these events we derive, where possible, the intrinsic peak energy in the νFν spectrum (Ep,rest), the duration in the rest-frame, defined as the time in which 90% of the burst counts were observed (T90,rest) and the isotropic equivalent bolometric energy (Eiso). We confirm the tight correlation between Ep,rest and Eiso (Amati relation) with a larger scatter than previously reported. We also confirm the relation between Ep,rest and the 1-s peak luminosity (Lp) (Yonetoku relation). Short GRB 080905A, whose host galaxy was identified at redshift z = 0.1218 is a peculiar outlier of this relation. Moreover, an intriguing, but preliminary, cosmic evolution of Ep,rest was observed, while no such evolution is evident for T90,rest.

연구 동기 및 목표

• 우주적 적색편이를 보정한 상태에서 GRB의 본질적 스펙트럼 및 시간적 성질을 휴지프레임에서 조사하기 위해.
• 알려진 적색편이를 가진 GRB 샘플을 잘 校정하여 아난티 및 요네토키 관계의 타당성과 산란 정도를 시험하기 위해.
• 우주적 진화가 $E_{\rm p,rest}$ 나 $T_{90,\text{rest}}$ 에 영향을 미치는지, 적색편이 의존성의 분석을 통해 평가하기 위해.
• 기존의 경험적 관계에서 벗어나는 이방성자(예: GRB 080905A)를 식별하고 분석하기 위해.

제안 방법

• 분석은 8개의 NaI 및 2개의 BGO 검출기로 구성된 페르미/GBM 기구의 데이터를 사용하며, 8 keV에서 40 MeV의 에너지 범위를 커버한다.
• 스펙트럼 피팅은 네 가지 모델(PL, COMP, Band, SBPL)을 사용하여 각 폭발에 대해 최적의 피팅 모델을 선택하고, $E_{\rm p,rest}$ 를 유도한다.
• 휴지프레임 지속시간 $T_{90,\text{rest}}$ 는 관측자 프레임의 $T_{90}$ 를 시간 지연과 적색편이에 따라 보정하여 계산한다.
• 등방성 등가 에너지 $E_{\rm{iso}}$ 와 피크 빛의 세기 $L_p$ 는 우주론적 파rameter $\Omega_m=0.27$, $\Omega_\Lambda=0.73$, $H_0=70.4$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ 를 사용하여 휴지프레임 1 keV–10 MeV 범위에서 계산한다.
• 아난티 및 요네토키 관계를 피팅하기 위해 일반적인 최소 제곱법의 이분법적 회귀(bOLS)를 사용하였으며, 불확실성은 95% 및 68% 신뢰 수준에서 추정하였다.
• 휴지프레임 지속시간 $T_{90,\text{rest}}$ 와 $E_{\rm p,rest}$ 의 적색편이 의존성 추세의 유의성을 평가하기 위해 스피어만의 순위 상관 검정을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알려진 적색편이를 가진 고에너지 커버리지가 넓은 GRB 샘플에서 아난티 관계($E_{\rm p,rest}$ 대 $E_{\rm{iso}}$)가 확인되는가? 산란 정도는 어떠한가?
• RQ2 요네토키 관계($E_{\rm p,rest}$ 대 $L_p$)는 장수 GRB와 단수 GRB 모두에서 성립하는가? 뚜렷한 이방성자가 있는가?
• RQ3 증가하는 적색편이에 따라 휴지프레임 피크 에너지 $E_{\rm p,rest}$ 나 지속시간 $T_{90,\text{rest}}$ 에 우주적 진화의 증거가 있는가?
• RQ4 왜 단수 GRB 080905A 는 요네토키 관계에서 이방성자인가? 이는 특수한 소스 성질 때문이거나 잘못된 은하수 주변성 할당 때문일 수 있는가?

주요 결과

• 아난티 관계는 $E_{\rm p,rest}$ 대 $E_{\rm{iso}}$ 의 경우 최적의 파워 법칙 기울기 $0.55 \pm 0.10$ 를 보이며 확인되었지만, 이전에 보고된 것보다 더 큰 산란을 보였다.
• 요네토키 관계는 $E_{\rm p,rest}$ 대 $L_p$ 의 경우 최적의 파워 법칙 기울기 $0.48 \pm 0.01$ 를 보이며 확인되었으며, 스피어만의 순위 상관 계수 $\rho=0.8$ 과 우연의 가능성 $9 \times 10^{-8}$ 이었다.
• $T_{90,\text{rest}}$ 에서는 적색편이 진화가 유의미하게 관측되지 않았으며, 이는 이전의 검출기 감도 편향 주장과 모순된다.
• 장수 GRB에 대해 $E_{\rm p,rest}$ 와 적색편이 사이에 유의미한 상관관계가 발견되었으며($\rho=0.67$, 우연의 가능성 $1.3 \times 10^{-5}$), 하지만 선택 효과가 이 결과에 영향을 줄 수 있다.
• 단수 GRB 080905A 는 요네토키 관계에서 뚜렷한 이방성자로 나타났으며, 이는 본질적인 특수성 또는 잘못된 은하수 주변성 할당 때문일 수 있다.
• 휴지프레임 피크 에너지 $E_{\rm p,rest}$ 는 잠재적인 간행 진화 경향을 보였지만, 확실한 결론을 내리기 전에 선택 효과에 대한 추가 보정이 필요하다.