[논문 리뷰] Spectral properties of long and short Gamma-Ray Bursts: comparison between BATSE and Fermi bursts

Lara Nava, G. Ghirlanda외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 08.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 페르미/GBM 데이터(227개의 파동, 측정된 피크 에너지가 있는 166개)와 BATSE 데이터를 사용하여 장수 및 단수 감마선 폭발(GRBs)의 스펙트럼 특성을 비교한다. 그 결과, 페르미 장수 폭발은 장치의 편향 없이 피크 에너지와 방출량/광도 간의 상관관계를 더 낮은 값까지 연장하는 것으로 나타났고, 단수 폭발은 더 높은 피크 에너지와 더 딱딱한 스펙트럼을 가진다. 결과는 아마티 및 요네토퍼 상관관계의 강건성을 확인하며, 페르미 장수 폭발에서 더 딱딱한 저에너지 지수를 강조하여 단순 싱크로트론 모델에 도전한다.

ABSTRACT

We compare the spectral properties of 227 Gamma Ray Bursts (GRBs) detected by the Fermi Gamma Ray Burst Monitor (GBM) up to February 2010 with those of bursts detected by the CGRO/BATSE instrument. Out of 227 Fermi GRBs, 166 have a measured peak energy E_peak_obs of their uF(ν) spectrum: of these 146 and 20 belong the long and short class, respectively. Fermi long bursts follow the correlations defined by BATSE bursts between their E_peak_obs vs fluence and peak flux: as already shown for the latter ones, these correlations and their slopes do not originate from instrumental selection effects. Fermi/GBM bursts extend such correlations toward lower fluence/peak energy values with respect to BATSE ones whereas no GBM long burst with E_peak_obs exceeding a few MeV is found, despite the possibility of detecting them. Again as for BATSE, $\sim$ 5% of long and almost all short GRBs detected by Fermi/GBM are outliers of the E_peak-isotropic equivalent energy ("Amati") correlation while no outlier (neither long nor short) of the E_peak-isotropic equivalent luminosity ("Yonetoku") correlation is found. Fermi long bursts have similar typical values of E_peak_obs but a harder low energy spectral index with respect to all BATSE events, exacerbating the inconsistency with the limiting slopes of the simplest synchrotron emission models. Although the short GRBs detected by Fermi are still only a few, we confirm that their E_peak_obs is greater and the low energy spectrum is harder than those of long ones. We discuss the robustness of these results with respect to observational biases induced by the differences between the GBM and BATSE instruments.

연구 동기 및 목표

• 페르미/GBM가 탐지한 장수 및 단수 GRB의 스펙트럼 특성을 BATSE의 결과와 비교하여 피크 에너지(E_peak)와 스펙트럼 지수에 중점을 둔다.
• E_peak와 방출량/광도 간의 관측된 상관관계가 장치의 선택 효과인지 아니면 물리적 현상인지 평가한다.
• 페르미 데이터에서 아마다(E_peak–E_iso) 및 요네토퍼(E_peak–L_iso) 상관관계가 BATSE와 비교하여 얼마나 강건한지 조사한다.
• 감도의 차이를 고려하여 장수 및 단수 GRB 간의 스펙트럼 딱딱함과 E_peak 분포의 차이를 검토한다.
• 페르미/GBM의 고에너지 감도가 BATSE에서 볼 수 없었던 새로운 스펙트럼 특성을 드러내는지, 특히 단수 폭발에 대해 확인한다.

제안 방법

• 227개의 페르미/GBM GRB에 대한 스펙트럼 분석을 수행하였으며, 이 중 166개는 νFν 스펙트럼에서 측정된 E_peak^obs를 포함한다.
• 페르미/GBM와 BATSE 샘플 간의 E_peak^obs 대 방출량 및 피크 광도 상관관계를 동일한 선택 기준을 사용하여 비교한다.
• 페르미 및 BATSE 샘플에서 아마다(E_peak–E_iso) 및 요네토퍼(E_peak–L_iso) 상관관계에서 이격도(3σ 이상)를 띠는 이상치 비율을 통계적으로 평가한다.
• 페르미 및 BATSE 샘플의 장수 및 단수 GRB 간에 저에너지 스펙트럼 지수(α)와 E_peak^obs를 직접 비교한다.
• 특히 고에너지 반응 및 방출량 임계값에서의 장치 편향을 평가하기 위해 GBM와 BATSE의 감도 함수를 비교한다.
• GCN 네트워크에서 공개된 GBM 스펙트럼 데이터를 사용하고, BATSE 밝은 샘플 결과와 교차 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BATSE 데이터에서 관측된 E_peak^obs–방출량 및 E_peak^obs–피크 광도 상관관계가 페르미/GBM 장수 GRB에서도 유지되며, 장치 선택 효과가 없는가?
• RQ2 아마다 및 요네토퍼 상관관계가 페르미/GBM 장수 GRB에 대해 BATSE 폭발과 동일하게 유효한가? 이상치 비율도 유사한가?
• RQ3 페르미/GBM로 탐지된 단수 GRB는 장수 GRB보다 체계적으로 더 높은 E_peak^obs와 더 딱딱한 저에너지 스펙트럼 지수(α)를 가지는가? 이는 BATSE 결과와 일치하는가?
• RQ4 페르미/GBM의 더 높은 에너지 감도가 이전에 발견되지 않은 고-E_peak^obs 단수 GRB 집단을 드러내는가? 이는 BATSE로는 탐지되지 않았다.
• RQ5 장치 감도 및 방출량 임계값의 차이가 페르미 및 BATSE 샘플 간의 관측된 E_peak^obs 분포와 스펙트럼 상관관계에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 페르미/GBM 장수 폭발은 E_peak^obs–방출량 및 E_peak^obs–피크 광도 상관관계를 더 낮은 방출량 및 광도 값까지 연장하며, 이는 장치 선택 효과의 산물이 아니라는 것을 확인한다.
• 페르미 및 BATSE 샘플 모두에서 아마다 상관관계에서 이상치 비율은 약 5%이며, 페르미 장수 폭발에서는 요네토퍼 상관관계에서 이상치가 전혀 발견되지 않았다.
• 페르미 장수 폭발은 BATSE 장수 폭발보다 더 딱딱한 저에너지 스펙트럼 지수(α)를 가지며, 이는 단순 싱크로트론 복사 모델과의 갈등을 악화시킨다.
• 페르미/GBM로 탐지된 단수 GRB는 더 높은 E_peak^obs(최대 약 4 MeV)와 더 딱딱한 α를 가지며, 이는 BATSE에서 관측된 스펙트럼 차이를 확인하지만 감도가 향상되어 있다.
• 단수 페르미 GRB의 E_peak^obs 분포는 BATSE 단수 폭발보다 더 높은 값으로 이동해 있으며, 이는 GBM의 더 높은 에너지 감도 덕분에 BATSE가 탐지하지 못한 고-E_peak^obs 이벤트를 감지할 수 있기 때문이다.
• 더 높은 감도에도 불구하고, 페르미 장수 폭발 중 하나도 E_peak^obs가 몇 MeV를 초과하지 않으며, 이는 장수 폭발의 E_peak^obs에 물리적 상한선이 있음을 시사한다.