[논문 리뷰] Swift GRBs and the Ep,i - Eiso correlation

L. Amati|ArXiv.org|2006. 11. 06.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 선택 효과를 줄인 스위프트 감마선 파동 폭발(GRBs) 샘플을 이용해 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 상관관계를 검증한다. 장수 GRB들은 알려진 적색편이가 있는 모든 경우에 상관관계와 일치하는 반면, 단수 GRB들은 그렇지 않으며, 이는 서로 다른 방출 메커니즘을 지지한다. 특히, 단수 GRB 050724의 부드러운 꼬리 부분이 상관관계 위에 위치해 있어 유사한 물리적 메커니즘을 가졌지만 단수 폭발에서는 효율이 낮을 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The Ep,i - Eiso correlation is one of the most intriguing and debated observational evidences in Gamma-Ray Bursts (GRB) astrophysics. Swift, with its high sensitivity and fast pointing capabilities, is reducing a lot the impact of selection effects in the sample of GRBs with known redshift (and thus Ep,i and Eiso). Moreover, in several cases it allows the detection of the soft tail of the prompt emission, and thus a more accurate estimate of Ep,i with respect to previous satellites. I present and discuss the location in the Ep,i - Eiso plane of Swift GRBs with known redshift and estimated Ep,i, showing that all long events (including peculiar events like GRB060218 and GRB060614) are consistent with the Ep,i - Eiso correlation. In contrast, short GRBs are not consistent with it, an evidence further supporting the hypothesis of different emission mechanisms at work in the two classes of GRBs. I also show, and briefly discuss, the intriguing evidence that the soft tail of the short GRB050724 is consistent with the correlation.

연구 동기 및 목표

• 선택 효과가 감소된 상태에서 스위프트 GRB 샘플의 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 상관관계의 강건성을 테스트하기 위해.
• 단수 GRB가 상관관계에서 벗어나는지 조사하여 장수 GRB와 다른 방출 메커니즘을 암시하기 위해.
• GRB 050724와 같이 단수 GRB에서 관측된 연장된 부드러운 방출이 상관관계와 일치하는지 검토하기 위해.
• 상관관계가 관측 편향의 산물인지 아니면 GRB 방출의 기본적 성질인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 알려진 적색편이가 있는 GRB 샘플의 선택 효과를 줄이기 위해 스위프트의 높은 감도와 빠른 스위칭 기능을 활용하였다.
• 적색편이가 알려진 23개의 스위프트 GRB에 대해 BAT, XRT 및 기타 기구(예: HETE-2, Konus/Wind)로부터 $E_{\rm p,i}$와 $E_{\rm iso}$ 값을 수집하였다.
• 관계 $E_{\rm p,i} = K \times E_{\rm iso}^m$를 사용하여 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 평면에 대한 비율 법칙 피팅을 수행하였으며, $K \sim 75$--$110$ 및 $m \sim 0.4$--$0.6$의 값을 가졌다.
• 경량 스펙트럼을 가진 사건의 경우 $E_{\rm p,i}$에 대한 하한을 설정하여 광자 기울기와 에너지 대역을 기반으로 보수적인 경계를 설정하였다.
• BAT와 XRT 데이터를 융합하여 GRB 050724의 부드러운 꼬리 부분에 대한 $E_{\rm p,i}$와 $E_{\rm iso}$를 추정하였다.
• 모든 GRB를 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 평면에 그려내어 상관관계와 2σ 신뢰 영역과의 비교를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선택 효과가 있을 수 있는 장수 스위프트 GRB들이 상관관계와 일치하는가?
• RQ2 알려진 적색편이가 있는 단수 GRB들이 상관관계에서 벗어나는가? 이는 장수 GRB와 다른 방출 메커니즘을 암시하는가?
• RQ3 단수 GRB 050724의 연장된 부드러운 방출이 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 상관관계와 일치하는가?
• RQ4 상관관계는 선택 효과의 산물인가, 아니면 GRB 방출의 기본적 성질인가?
• RQ5 GRB 050724의 부드러운 꼬리의 위치는 GRB 방출 메커니즘의 보편성에 대해 무엇을 암시하는가?

주요 결과

• 추정된 $E_{\rm p,i}$가 있는 17개의 장수 스위프트 GRB 모두가 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 상관관계와 일치한다. 이들은 $E_{\rm iso}$ 기준으로 4개 이상의 온도 범위, $E_{\rm p,i}$ 기준으로 3개의 온도 범위를 커버한다.
• 단순 하한/상한만 알려진 5개의 장수 GRB도 상관관계 영역 내에 위치해 있어 상관관계의 강건성을 지지한다.
• 단수 GRB들(예: 050509b, 050813, 051221)은 상관관계에서 뚜렷하게 위쪽으로 벗어나 있어 다른 방출 메커니즘을 암시한다.
• 단수 GRB 050724의 부드러운 꼬리 부분은 $E_{\rm p,i} \approx 11$ keV와 $E_{\rm iso} \approx 0.035 \times 10^{52}$ erg을 가지며, $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 상관관계 위에 위치한다.
• 상관관계에서 유일한 명백한 이질적 사례는 특이한 GRB 980425 뿐이며, 나머지 모든 장수 GRB와 050724의 부드러운 꼬리 부분은 모두 이 상관관계와 일치한다.
• 선택 효과가 감소된 상황에서도 장수 GRB와 050724의 부드러운 꼬리 부분이 상관관계와 일치함을 고려할 때, 이 상관관계는 관측 편향이 아닌 기본적인 관계임을 지지한다.