[논문 리뷰] X-ray flashes and X-ray rich Gamma Ray Bursts

John Heise, J. J. M. in ’t Zand외 2명|arXiv (Cornell University)|2001. 11. 13.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 X선 플레시 (XRFs)를 피크 X선 방출(2–10 keV)이 감마선 방출(50–300 keV)보다 최대 100배 더 밝은, 감마선 모니터에 의해 스펙트럼의 부드러움으로 인해 감지되지 않는 매우 부드럽고 X선이 풍부한 감마선 폭발(GRBs)로 규명한다. 저자들은 XRFs가 고적색편이 GRBs가 아니며, 외부 유동의 보리온 부하가 낮아 더 연한 스펙트럼과 감마선 대비 더 높은 X선 빛줄기로 이어지는 우주 화염구 시나리오의 자연스러운 연장선임을 보여준다.

ABSTRACT

X-ray flashes are detected in the Wide Field Cameras on BeppoSAX in the energy range 2-25 keV as bright X-ray sources lasting of the order of minutes, but remaining undetected in the Gamma Ray Bursts Monitor on BeppoSAX. They have properties very similar to the x-ray counterparts of GRBs and account for some of the Fast X-ray Transient events seen in almost every x-ray satellite. We review their X-ray properties and show that x-ray flashes are in fact very soft, x-ray rich, untriggered gamma ray bursts, in which the peak energy in 2-10 keV x-rays could be up to a factor of 100 larger than the peak energy in the 50-300 keV gamma ray range. The frequency is ~100 per year.

연구 동기 및 목표

• BeppoSAX의 넓은 시야 카메라(WFC)에 의해 감지된 X선 플레시(XRFs)를 별개의 일시적 X선 천체로 특성화하는 것.
• X선 방출이 밝음에도 불구하고 BeppoSAX 감마선 폭발 모니터(GRBM)에 의해 감지되지 않는 이유를 규명하는 것.
• 스펙트럼 에너지 분포, 지속 시간, 방출율 비율 측면에서 고전적 GRBs와 XRFs를 비교하여 그 물리적 기원을 평가하는 것.
• XRFs가 고적색편이 GRBs인지 아니면 우주 화염구 모델 내의 별개의 집단인지 테스트하는 것.
• 감마선 대비 X선 방출율 비율을 정량화하고, GRB의 방출 방향성 및 원천 모델에 대한 함의를 평가하는 것.

제안 방법

• BeppoSAX의 WFC에 의해 2–25 keV 대역에서 감지된 17개의 XRFs를 분석하여 광도 곡선, 스펙트럼 피팅 및 위치 정보를 활용하였다.
• X선의 파wer-법칙 스펙트럼(2–25 keV)을 40–700 keV 범위로 외삽하여 GRBM 및 BATSE 기구에 의한 감지 가능성 추정을 수행하였다.
• BATSE 자료를 활용하여 16개의 고전적 GRBs와 9개의 XRFs의 X선(2–10 keV) 대비 감마선(50–300 keV) 방출율 비율을 비교하였다.
• T90 지속 시간과 스펙트럼 기울기의 통계적 분석을 통해 XRFs와 고전적 GRBs를 비교하고 고적색편이 해석을 배제하였다.
• 보리온 부하가 레이저 패러미터와 스펙트럼 경도를 결정하는 데 미치는 영향을 검토하여 XRFs가 우주 화염구 모델과 일치하는지 평가하였다.
• ROSAT, HEAO-1, Einstein의 기존 자료와의 교차 비교를 통해 소스 식별성과 배경 오염 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 X선 플레시는 X선 방출이 밝음에도 불구하고 왜 BeppoSAX GRBM에 의해 감지되지 않는가?
• RQ2 XRFs의 X선 대비 감마선 방출율 비율은 고전적 GRBs와 비교해 어떻게 다른가? 이는 그들의 스펙트럼 에너지 분포에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 XRFs는 감마선 방출이 X선 대역으로 이동된 고적색편이 GRBs와 일치하는가?
• RQ4 XRFs의 시간적 및 스펙트럼적 특성은 우주 화염구 모델의 자연스러운 연장선인가?
• RQ5 보리온 부하와 같은 물리적 메커니즘이 관측된 부드러운 스펙트럼과 높은 X선 빛줄기를 어떻게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• XRFs는 z > 5에서 예상되는 시간 지연 효과가 관측되지 않기 때문에 고적색편이 GRBs가 아니며, T90 지속 시간 분포에서 이를 확인하였다.
• XRFs의 X선 대비 감마선 피크 방출율 비율은 최대 100배까지 확장되며, 고전적 GRBs에서 관찰되는 일반적인 비율을 크게 초월한다.
• XRFs와 고전적 GRBs 간의 X선 방출율 비율은 최대 20배까지 확장되며, 이는 XRFs에서 X선 에너지가 상당히 초과됨을 시사한다.
• XRFs는 BATSE의 25–50 keV 및 50–100 keV 채널에서 감지되지만, 장치를 트리거하지 않아 감마선 대역에서의 부드러움이 확인되었다.
• XRFs의 스펙트럼 피팅 결과는 보통의 파워-법칙 X선 스펙트럼(광자 지수 1.2에서 3.0)과 은하수 흡수를 보이며, 연한 연장된 방출 성분과 일치한다.
• 저자들은 XRFs가 보다 낮은 보리온 부하로 인해 더 연한 스펙트럼과 감마선 대비 더 높은 X선 빛줄기를 유도하는 우주 화염구 모델로 가장 잘 설명된다고 결론 내렸다.