[論文レビュー] {\em Fermi}/GBM Short Gamma-ray Burst Catalog and Case Study for GRB 170817A/GW 170817

Rui-Jing Lu, Shen-Shi Du+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、9年間の観測から得られた275例の典型的な短時間ガンマ線バースト（sGRBs）および48例のsGRB 170817Aに類似した弱いイベントを含む包括的なFermi/GBMカタログを提示している。光曲線パターン、スペクトル的性質、時間的分布を分析した結果、2つの異なる光曲線形態（パターンI：1回の放出、61％；パターンII：複数回の放出、39％）を特定し、$T_{90}$および$E_{\rm mp}$にやや強い二峰性分布の兆候が見られた。これは、sGRB 170817Aに類似したイベントが中性子星-中性子星合体に起因するのに対し、パターンIのイベントは別の前身天体系に由来する可能性を示唆している。

ABSTRACT

Motivating by the discovery of association between GW 170817 and sGRB 170817A, we present a comprehensive analysis for sGRBs observed with Fermi/GBM in 9 operation years and study the properties of sGRB 170817A -like events. We derive a catalog of 275 typical sGRBs and 48 sGRB 170817A-like weak events from the GBM data of 2217 GRBs. We visibly identify two patterns of their light curve, single episode (Pattern I, 61\% of the SGRBs) and multiple episodes (Pattern II, 39\% of the SGRBs). Their duration distribution shows a tentative bimodal feature. Their spectra can be fitted with a cutoff power-law model, except for 4 sGRBs, and the spectral indices normally distribute at $Γ=0.69\pm 0.40$. Their $E_p$ values show a tentative bimodal distribution with peaks at 145 keV and 500 keV. No correlation among $T_{90}$, $E_p$, and $Γ$ is found. GRB 170817A is a soft, weak sGRB with $ E_{p}=124\pm 106$ keV, $L_{ m iso}=(5.67\pm4.65) imes10^{46} m ~erg~s^{-1}$, and $E_{ m iso}=(3.23\pm2.65) imes10^{46} m ~erg$. It follows the $E_{ m iso}-E_{ m p}$ relation of typical short GRBs. Its lightcurve is of Pattern II. Two lightcurve patterns, together with the potential two components in the $E_{ m p}$ and $T_{90}$ distributions, we suspect that the current sample may include two distinct types of sGRBs from different progenitors. sGRB 170817A-like events may be from NS-NS mergers and those sGRBs with a Pattern I lightcurve may be from another distinct type of compact binary.

研究の動機と目的

• Fermi/GBMが9年間の運用で検出した短時間ガンマ線バースト（sGRBs）の体系的カタログを構築すること。
• sGRB 170817Aに類似した弱いsGRBsの性質を調査し、広範なsGRB集団と比較すること。
• sGRB 170817Aに類似したイベントが、異なる前身天体を持つ別個のsGRBクラスを構成しているかどうかを特定すること。
• 光曲線の形態、スペクトルパラメータ、時間的分布を分析し、二峰性の兆候を同定すること。

提案手法

• エネルギー依存性の光曲線およびスペクトルを得るために、Fermi/GBMおよびLAT機器のデータを$gtBurst$パッケージを用いて抽出した。
• ベイジアンブロック法を用いて光曲線を統計的に有意な放射エピソードに分割し、イベントをパターンI（1回のエピソード）およびパターンII（複数回のエピソード）に分類した。
• スペクトルフィッティングにはカットオフ・パワーロー法を用い、各バーストについて$E_{\rm p}$、$\Gamma$、および放射度パラメータを導出した。
• 統計的分析として、$T_{90}$および$E_{\rm p}$の分布にガウス分布および2成分ガウス関数をフィットさせ、二峰性の有無を検証した。
• GBMデータアーカイブにおいて、GRB 170817Aに適用した基準と同一の基準を用いて、類似した弱いsGRBsを深く探索した。
• サンプルを用いて$E_{\rm iso}-E_{\rm p}$関係をテストし、理論的モデルと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 sGRB 170817Aに類似した弱いsGRBsは、通常のsGRBsと光曲線の形態やスペクトル的性質において特徴的に異なるか？
• RQ2 sGRBsの$T_{90}$分布には二峰性構造があり、物理的に異なる2つの集団を示唆するか？
• RQ3 $E_{\rm p}$に二峰性分布があるか。もしあるならば、それは前身天体の多様性を何を示唆するか？
• RQ4 sGRB 170817Aに類似したイベントは、通常のsGRBsで観測される標準的な$E_{\rm iso}-E_{\rm p}$関係に従うか？
• RQ5 光曲線パターン（パターンIおよびII）の2つある意義は、前身天体系において何を示唆するか？

主な発見

• sGRB集団は275例の典型的なsGRBsおよび48例のsGRB 170817Aに類似した弱いイベントから構成され、そのうち61％がパターンI（1回のエピソード）、39％がパターンII（複数回のエピソード）に分類された。
• $T_{90}$分布にはやや強い二峰性の兆候が見られ、ピークは約0.5秒および2.5秒の位置にあった。
• スペクトル指数$\Gamma$は$0.69 \pm 0.40$の周辺に分布し、$E_{\rm p}$は145 keVおよび500 keVのピークを示すやや強い二峰性分布を示した。
• GRB 170817Aの$E_{\rm p} = 124 \pm 106$ keV、$L_{\rm iso} = (5.67 \pm 4.65) \times 10^{46}$ erg s$^{-1}$、$E_{\rm iso} = (3.23 \pm 2.65) \times 10^{46}$ ergであり、通常のsGRBsの$E_{\rm iso}-E_{\rm p}$関係に従った。
• $T_{90}$、$E_{\rm p}$、および$\Gamma$の間に有意な相関は認められず、独立した物理的プロセスを示唆した。
• 2つの光曲線パターンおよび$T_{90}$と$E_{\rm p}$の二峰性分布の存在は、2つの異なるsGRB集団の仮説を支持しており、sGRB 170817Aに類似したイベントは中性子星-中性子星合体に起因し、パターンIのイベントは別の前身天体系に由来する可能性がある。