[論文レビュー] Long Gamma-Ray Burst prompt emission properties as a cosmological tool

C. Firmani, V. Ávila-Reese+2 more|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|May 10, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 24被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、長期間ガンマ爆発（GRB）の初期放射特性—放射度、ピークエネルギー、持続時間—の密接な経験的相関を用いて、宇宙論的パラメータ推定のためのハッブル図を構築することを提案する。循環性を回避するためベイズ的手法を適用し、Ωₘ ≈ 0.31 および Ω_Λ ≈ 0.80 を 1σ で制約した。ΛCDMモデルは、z = 0.17–4.5 の範囲をカバーする19個のGRBのサンプルから得られたデータと完全に整合している。

ABSTRACT

Recently, a tight correlation among three quantities that characterize the prompt emission of long Gamma-Ray Bursts (GRBs) with known redshift z, was discovered (Firmani et al. 2006). We use this correlation to construct the Hubble diagram (HD) with a sample of 19 GRBs in the broad range of z=0.17-4.5, and carry out a full statistical analysis to constrain cosmological parameters (CPs). To optimally solve the problem of circularity, a Bayesian approach is applied. The main result is that the concordance LambdaCDM cosmology is fully consistent with the GRB data at the level of several tests. If we assume the Lambda cosmology, then we find Om_M=0.31^{+0.09}_{-0.08} and Om_Lambda=0.80^{+0.20}_{-0.30}$ (1sigma); the flat-geometry case is within 1sigma. Assuming flatness, we find Om_M=0.29^{+0.08}_{-0.06}, and fixing Om_M=0.28, we obtain a dark energy equation of state parameter w=-1.07^{+0.25}_{-0.38}, i.e. the ambdaCDM model (w=-1) is within 1sigma. Given the low number of usable GRBs we cannot yet constrain well the possible evolution of w=w(z). However, the case w(z)=-1 (LambdaCDM) is consistent at the 68.3% CL with GRBs. It is shown also how a broad range of z's in the used sample improves the determination of CPs from the HD, which is the case of GRBs as distance indicators.

研究の動機と目的

• 長期間GRBの初期放射特性を用いた宇宙論的距離指標の開発を目的とする。
• GRBに基づく宇宙論において生じる循環性問題を、ベイズ統計フレームワークを用いて克服することを目的とする。
• 広い赤方偏移範囲にわたるGRBデータに対して、共通のΛCDMモデルが整合的であるかを検証することを目的とする。
• 高赤方偏移領域におけるGRBの可能性を評価し、宇宙論的制約におけるパラメータのデゲネラシーを低減することを目的とする。
• L_iso–E_pk–T_0.45相関が宇宙計測のための標準化キャンドルとしての堅牢性を評価することを目的とする。

提案手法

• L_iso（等方的放射度）、E_pk（ピークエネルギー）、T_0.45（全エネルギーの45%を含む持続時間）の経験的相関を距離指標として用いる。
• 循環性問題（相関が宇宙論に依存する）を回避するため、同時に宇宙論的パラメータを推定し、その影響を補正するベイズ階層モデルを適用する。
• 赤方偏移が既知の19個の長期間GRB（z = 0.17–4.5）のサンプルを用いて、この相関に基づくハッブル図を構築する。
• 統計的推論を実施し、Ωₘ、Ω_Λ、およびダークエネルギーの状態方程式wを、異なる仮定（Λモデル、平坦幾何、固定Ωₘ）の下で制約する。
• 赤方偏移範囲の広さが宇宙論的パラメータの精度に与える影響を評価し、広いz分布が制約を改善することを示す。
• 重力レンズ効果や放射関数の形状といった系統的誤差がハッブル図の信頼性に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長期間GRB初期放射におけるL_iso–E_pk–T_0.45相関は、信頼できる宇宙論的距離指標として利用可能か？
• RQ2 相関が宇宙論に依存するという循環性問題は、GRBに基づく宇宙計測において効果的に解決可能か？
• RQ3 広い赤方偏移範囲（z = 0.17–4.5）にわたるGRBデータに対して、標準的なΛCDM宇宙論は整合的か？
• RQ4 GRBは、ダークエネルギーの状態方程式wおよびその時間的変化w(z)の制約をどの程度改善できるか？
• RQ5 GRBの広い赤方偏移カバー範囲は、低赤方偏移標準キャンドルと比較して、宇宙論的パラメータ推定の精度をどの程度向上させるか？

主な発見

• 複数の統計的検定により確認されたように、共通のΛCDM宇宙論は、1σ信頼水準でGRBデータと完全に整合している。
• Λ宇宙論を仮定した場合、Ωₘ = 0.31⁺⁰.⁰⁹₋₀.⁰⁸ および Ω_Λ = 0.80⁺⁰.²⁰₋₀.³⁰ を1σで得た。平坦幾何のケースも1σ内に収まっている。
• 空間的平坦性を仮定した場合、制約はさらに厳しくなり、Ωₘ = 0.29⁺⁰.⁰⁸₋₀.⁰⁶ となり、標準ΛCDM値と良好に整合していることが示された。
• Ωₘを0.28に固定した場合、ダークエネルギーの状態方程式は w = −1.07⁺⁰.²⁵₋₀.³⁸ に制約され、ΛCDMモデル（w = −1）が1σ信用区間内に含まれている。
• w(z) = −1（ΛCDM）のケースは、68.3%の信頼水準でGRBデータと整合的であるが、GRB数が少ないためw(z)の時間的変化を制約する能力は限定的である。
• GRBサンプルにおける広い赤方偏移分布（z = 0.17–4.5）のおかげで、ハッブル図における宇宙論的パラメータの決定が著しく向上し、デゲネラシーが低減され、感度が向上した。