[논문 리뷰] Spectrum-energy correlations in Gamma-Ray Bursts confront extremely energetic Fermi GRBs

L. Amati, F. Frontera외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 07. 02.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 2009년 4월 기준 95개의 사건으로 구성된 상관관계 내에 포함되는 매우 에너지가 높은 페르미 급성 우주선 폭발 080916C와 090323에서 Ep,i–Eiso 상관관계를 확인한다. 이는 상관관계가 최고 에너지 영역으로까지 확장되었음을 보여주며, 평탄화 또는 산란 증가의 증거 없이도 유효성을 유지함을 시사한다. 결과는 GRB 빛의 세기 및 에너지 전역에서 통일된 방출 메커니즘이 존재함을 지지하며, 장치의 에너지 임계값으로 인한 유의미한 편향이 없음을 시사한다.

ABSTRACT

The extremely energetic Fermi GRBs 080916C, with its Eiso of ~ 10^{55} erg in 1 keV - 10 GeV and intense GeV emission, and 090323 give us a unique opportunity to test the reliability and extension of spectral energy correlations. Based on Konus/WIND and Fermi spectral measurements, we find that both events are fully consistent with the updated (95 events as of April 2009) Ep,i - Eiso correlation, thus further confirming and extending it and pointing against a possible flattening or increased dispersion at very high energies. This also suggests that the physics behind the emission of peculiarly bright and hard GRBs is the same as for softer and weaker ones. In addition, we find that the normalization of the correlation obtained by considering these two GRBs and the other long ones for which Ep,i was measured with high accuracy by the Fermi/GBM are fully consistent with those obtained by other instruments (e.g., BeppoSAX, Swift, Konus-WIND), thus indicating that the correlation is not affected significantly by detectors limited thresholds and energy bands. Prompted by the extension of the spectrum of GRB 080916C up to several GeVs without any excess or cut-off, we also investigated if the evaluation of Eiso in the commonly adopted 1 keV - 10 MeV energy band may bias the Ep,i - Eiso correlation contributing to its scatter. By computing Eiso from 1 keV to 10 GeV, the slope of the correlation becomes slightly flatter, while its dispersion does not change significantly. Finally, we find that GRB 080916C is also consistent with most of the other spectral energy correlations derived from it, with the possible exception of the Ep,i - Eiso - tb correlation.

연구 동기 및 목표

• 페르미 급성 우주선 폭발 중 가장 에너지가 높은 경우, 예를 들어 080916C와 090323에서 Ep,i–Eiso 스펙트럼 에너지 상관관계가 유지되는지 테스트하는 것.
• 급성 우주선 폭발 080916C에서 관측된 극도로 높은 에너지 방출(수 개의 GeV까지)이 Ep,i–Eiso 상관관계에 영향을 주거나 산란을 유도하는지 조사하는 것.
• 특히 고광도 사건에서 발생할 수 있는 장치의 에너지 대역 제한(예: 1 keV–10 MeV)이 상관관계에 편향을 주는지 평가하는 것.
• 급성 우주선 폭발 080916C가 Ep,i–Eiso–tb 관계를 포함한 다른 스펙트럼 에너지 상관관계와 일관된지 평가하는 것.

제안 방법

• Konus/WIND 및 페르미/GBM의 스펙트럼 측정을 활용하여, 급성 우주선 폭발 080916C와 090323의 등가 등방성 에너지(Eiso)와 피크 에너지(Ep,i)를 결정하였다.
• 다양한 기기로부터 유도된 2009년 4월 기준 업데이트된 95개의 사건 상관관계와 비교하여 이 두 급성 우주선 폭발의 Ep,i–Eiso 값을 분석하였다.
• 표준 1 keV–10 MeV 대역을 초월해 확장된 에너지 범위(1 keV–10 GeV)에서 Eiso를 재계산하여 표준 대역으로 인한 편향 가능성을 평가하였다.
• 표준 및 확장된 에너지 대역에서 Ep,i–Eiso 상관관계의 기울기와 산란을 분석하여 고에너지 방출에 대한 민감도를 평가하였다.
• 가용 자료를 활용하여 급성 우주선 폭발 080916C가 다른 스펙트럼 에너지 상관관계, 특히 Ep,i–Eiso–tb 관계와 일관된지 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Eiso ≈ 10^55 erg인 가장 에너지가 높은 페르미 급성 우주선 폭발 080916C와 같은 경우, Ep,i–Eiso 상관관계가 여전히 유효한가?
• RQ2 급성 우주선 폭발 080916C의 스펙트럼에서 몇 개의 GeV까지 고에너지 절단이 관측되지 않는다는 점이 Ep,i–Eiso 상관관계에 영향을 주거나 산란을 증가시키는가?
• RQ3 Eiso를 계산하는 데 사용된 에너지 대역이 고광도 급성 우주선 폭발에서 상관관계에 편향을 주는가?
• RQ4 페르미의 결과가 다른 기기(예: BeppoSAX, Swift, Konus-WIND)의 결과와 상관관계 정규화 측면에서 일관된가?
• RQ5 급성 우주선 폭발 080916C는 Ep,i–Eiso–tb와 같은 다른 스펙트럼 에너지 상관관계와 일치하는가?

주요 결과

• 2009년 4월 기준 95개의 사건으로 구성된 업데이트된 Ep,i–Eiso 상관관계에 따라 급성 우주선 폭발 080916C와 090323는 완전히 일치하며, 극한 에너지 영역에서의 유효성을 확인한다.
• 최고 광도에서 상관관계가 평탄화되거나 산란이 증가하는 징후가 없어, GRB 집단 전반에 걸쳐 상관관계의 보편성을 지지한다.
• 1 keV에서 10 GeV까지 Eiso를 재계산하면 Ep,i–Eiso 상관관계의 기울기가 약간 평탄해지지만, 산란은 거의 변화가 없다.
• 이 두 급성 우주선 폭발로부터 유도된 Ep,i–Eiso 상관관계의 정규화는 BeppoSAX, Swift, Konus-WIND 등 다른 기기로부터 유도된 결과와 일치하여, 유의미한 장치 편향이 없음을 시사한다.
• 급성 우주선 폭발 080916C는 대부분의 스펙트럼 에너지 상관관계와 일치하지만, Ep,i–Eiso–tb 상관관계와는 가능성이 불일치하는 것으로 나타났다.
• 급성 우주선 폭발 080916C의 스펙트럼에서 고에너지 절단이 없더라도, Eiso를 더 넓은 에너지 범위에서 계산할 경우 Ep,i–Eiso 상관관계에 편향이 유입되지 않는다.