[논문 리뷰] The local energy production rates of GRB photons and of UHECRs

Eli Waxman|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 24.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이전의 추정치와 2010년 분석 사이의 모순을 해결한다. 이 분석은 초고에너지 우주선(UHECR)의 생산률이 감마선 폭발(GRB) 광자 에너지 생산률보다 약 10^2.5 배 높다는 것을 시사한다. 수정된 GRB 탐지의 관측 편향을 고려하고 은하수 내외의 우주선 전이 에너지를 약 10^19 eV로 가정함으로써 일관성이 회복됨을 보여준다: Q_MeV,GRB^z=0 ≈ Q_10EeV^z=0.

ABSTRACT

In a recent analysis it was found that the local (z=0) rate at which gamma-ray bursts (GRBs) produce energy in 1 MeV photons, Q_GRB(z=0), is 300 times lower than the local energy production rate in ultra-high energy cosmic-rays. This may appear to be in contradiction with earlier results, according to which Q_GRB(z=0) is similar to the local energy production rate in >10^{19} eV cosmic-rays, Q_{10EeV}(z=0). This short (1 page) note identifies the origin of the apparent discrepancy and shows that Q_GRB(z=0) \sim Q_{10EeV}(z=0) holds.

연구 동기 및 목표

• 이전 추정치와 Eichler 등(2010)이 제시한 바에 따르면, z=0에서 UHECR 생산률이 GRB 광자 에너지 생산률보다 약 10^2.5 배 높다는 명백한 모순을 해결하기 위해.
• 이 모순의 근본 원인을 분석하며, 은하수-은하외 우주선 전이 에너지에 대한 가정과 은하외 소스의 스펙트럼 연장에 초점을 맞춘다.
• 비교적 어두운 혹은 먼 폭발이 탐지되지 않은 경우를 포함한 관측 편향을 보정하여, 국소적 GRB 광자 에너지 생산률 Q_MeV,GRB^z=0을 재평가한다.
• 적절한 볼로메트릭 보정과 소스 진화 모델을 적용했을 때, 유도된 UHECR 생산률 Q_XG^z=0이 GRB 광자 에너지 생산률과 일치하는지 평가한다.
• GRB 빛의 세기 함수와 우주선 소스 분포에 대한 현실적인 가정 하에 Q_MeV,GRB^z=0 ≈ Q_10EeV^z=0 가 성립하는지 확인한다.

제안 방법

• z≈1.5에서 BATSE 감도 이하의 비촉발 폭발을 고려하여 수정된 GRB 탐지 임계값을 사용해 Q_MeV,GRB^z=0을 재평가한다.
• GRB 광자 에너지 생산률에 볼로메트릭 보정을 적용하여, 1 MeV 대역 외부에서의 방출로 인해 Q_γ,GRB^z=0 / Q_MeV,GRB^z=0 > 1 이라는 추정을 한다.
• 관측된 UHECR 스펙트럼과 은하수-은하외 전이 에너지가 약 10^19 eV로 가정함으로써, ε > 10^19.5 eV 에서 Q_XG^z=0 = 5×10^43 erg/Mpc³/yr 로 유도하며, 이는 이전 추정치와 일치한다.
• 은하외 소스 스펙트럼이 10^18 eV 이하로 연장될 경우, 스펙트럼이 수십 개 디아드에 걸쳐 연장될 경우 Q_XG^z=0 이 약 10 배 증가함을 고려한다.
• Eichler 등(2010)이 유도한 Q_XG^z=0 와 보정된 Q_MeV,GRB^z=0 를 비교하여, 이 모순은 낮은 전이 에너지와 확장된 은하외 스펙트럼을 가정한 데 기인함을 밝힌다.
• GRB 광자와 UHECR 모두에 볼로메트릭 보정 요소를 적용하며, GRB 빛의 세기 함수 진화와 진짜 은하외 스펙트럼 범위에 대한 불확실성으로 인해 Q_XG^z=0 / Q_γ,GRB^z=0 의 비율이 불확실하다는 점을 인정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 Eichler 등(2010)은 Q_XG^z=0 ≈ 10^2.5 × Q_MeV,GRB^z=0 라고 보고하며, 이는 이전 추정치와 모순되는가?
• RQ2 특히 비촉발된 어두운/멀리 떨어진 폭발이 포함된 GRB 탐지의 관측 편향이 유도된 Q_MeV,GRB^z=0 에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 은하수-은하외 우주선 전이 에너지를 10^19 eV 이하로 가정할 경우, 유도된 UHECR 생산률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 은하외 소스 스펙트럼이 10^18 eV 이하로 연장될 경우, Q_XG^z=0 이 Q_10EeV^z=0 대비 얼마나 증가하는가?
• RQ5 탐지 편향과 적절한 볼로메트릭 보정을 통해 UHECR과 GRB 에너지 생산률 간의 명백한 모순을 해결할 수 있는가?

주요 결과

• Q_MeV,GRB^z=0 와 Q_XG^z=0 간의 명백한 모순은 주로 Eichler 등(2010)이 은하수-은하외 전이 에너지를 10^19 eV 이하로 낮게 가정했기 때문이다.
• 특히 z≈1.5에서 탐지 임계값이 일반적인 GRB 빛의 세기와 일치하는 비촉발 GRB 폭발을 보정함으로써 Q_MeV,GRB^z=0 이 약 3~5 배 증가한다.
• Eichler 등(2010)에서 유도된 Q_MeV,GRB^z=0 는 이전 추정치보다 약 10 배 낮은데, 이는 시간 평균 GRB 복사율을 과소평가하고 어두운 폭발을 누락했기 때문이다.
• 탐지 편향을 보정한 후 Q_MeV,GRB^z=0 ≈ 5×10^42 erg/Mpc³/yr 로 유도되며, 이는 이전 추정치와 일치하고 Q_10EeV^z=0 와도 일치한다.
• 은하수-은하외 전이 에너지를 약 10^19 eV로 가정하고, 은하외 스펙트럼이 10^19 eV 이하로 여러 디아드에 걸쳐 연장된다고 가정할 경우, Q_XG^z=0 / Q_10EeV^z=0 ≈ 10 로 유도되며, 이는 관측된 UHECR 플럭스와 일치한다.
• GRB 빛의 세기 함수 진화, 볼로메트릭 보정, 진짜 은하외 스펙트럼의 범위에 대한 불확실성으로 인해 Q_XG^z=0 / Q_γ,GRB^z=0 의 비율은 불확실하다.