[论文解读] Low-Luminosity Gamma-Ray Bursts as a Distinct GRB Population:A Monte Carlo Analysis

F. J. Virgili, En‐Wei Liang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2008

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本研究利用蒙特卡洛模拟表明，低亮度伽马射线暴（LL-GRBs）与高亮度伽马射线暴（HL-GRBs）构成一个独立的群体，需采用两组分亮度函数模型。研究发现，LL-GRBs在约10⁴⁷ erg s⁻¹的转折亮度处具有约100 Gpc⁻³ yr⁻¹的本地发生率，其亮度函数呈急剧下降趋势，且XRF 080109/SN 2008D的发现支持亮度函数向更低亮度延伸。

ABSTRACT

The intriguing observations of Swift/BAT GRB 060218 and CGRO/BATSE burst 980425, both with much lower luminosity and redshift compared to other observed bursts, lead naturally to the question whether these low-luminosity (LL) bursts constitute a separate population from high-luminosity (HL) bursts. Utilizing Monte Carlo simulations we compare various single-component luminosity function (LF) models (single power law or broken power law) with the two-component luminosity function model proposed by Liang et al. Using various criteria, we demonstrate that the singlecomponent LF models have great difficulty in simultaneously reproducing both the high local LL-GRB rate and the oberved distributions of redshift, luminosity, and log N −logP for HL-GRBs. We argue that the two-component LF model is necessary, and we use the observed BATSE and Swift log N −log P distributions to add constrains to the LL and HL-LF parameters. The LL-LF can be modeled by a smoothed, broken power law with a break at around 10 47 erg s −1, dropping steeply above this luminosity. The local rate of LL-GRBs is ∼ 100 Gpc −3 yr −1 at the break luminosity, much larger than that of HL-GRBs. The recently discovered peculiar X-ray transient XRF 080109/SN 2008D strengthens this conclusion, and requires that the LL-population LF extends further down in luminosity with a probably even higher local rate at lower luminosities.

研究动机与目标

• 基于观测数据，确定低亮度伽马射线暴（LL-GRBs）是否构成与高亮度伽马射线暴（HL-GRBs）不同的群体。
• 评估单组分亮度函数（LF）模型在重现HL-GRBs的红移、亮度和log N–log P分布以及LL-GRBs本地发生率方面的可行性。
• 利用BATSE和Swift的log N–log P分布，约束梁等人提出的两组分LF模型的参数。
• 研究LL-GRB群体的亮度函数形态及其在低亮度区域的本地发生率。
• 评估XRF 080109/SN 2008D暂现源对LL-GRB亮度函数向低亮度延伸的含义。

提出的方法

• 利用蒙特卡洛模拟基于多种亮度函数（LF）模型生成合成伽马射线暴群体。
• 将模拟得到的红移、亮度和log N–log P分布与Swift/BAT和CGRO/BATSE的观测数据进行比较。
• 将单组分LF模型（单一支或分段幂律）与梁等人提出的两组分LF模型进行对比。
• 利用观测到的BATSE和Swift的log N–log P分布作为约束，优化LL和HL亮度函数的参数。
• 将LL-LF建模为在约10⁴⁷ erg s⁻¹处平滑的分段幂律，该亮度以上呈现急剧下降。
• 利用模拟和观测分布估算在转折亮度处LL-GRBs的本地发生率。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于其亮度、红移和log N–log P分布，低亮度伽马射线暴是否构成与高亮度伽马射线暴不同的群体？
• RQ2 单组分亮度函数模型能否同时重现观测到的LL-GRBs本地发生率和HL-GRBs的分布？
• RQ3 BATSE和Swift的log N–log P分布对LL和HL亮度函数参数施加了何种约束？
• RQ4 LL-GRB群体的亮度函数如何向更低亮度延伸，特别是考虑到XRF 080109/SN 2008D？
• RQ5 在约10⁴⁷ erg s⁻¹的转折亮度处，LL-GRBs的本地发生率是多少，与HL-GRBs的速率相比如何？

主要发现

• 单组分亮度函数模型无法同时重现LL-GRBs的高本地发生率以及HL-GRBs的红移、亮度和log N–log P分布。
• 必须采用两组分亮度函数模型才能解释完整的观测数据集，其中LL-LF最适宜描述为平滑的分段幂律。
• LL-LF的转折点位于约10⁴⁷ erg s⁻¹，该亮度以上亮度急剧下降。
• 在转折亮度处，LL-GRBs的本地发生率估计为约100 Gpc⁻³ yr⁻¹，显著高于HL-GRBs的发生率。
• XRF 080109/SN 2008D的发现支持LL-GRB亮度函数向更低亮度延伸，且在这些更低亮度下本地发生率可能更高。
• 观测到的BATSE和Swift的log N–log P分布对LL和HL亮度函数的参数提供了强有力的约束。