[论文解读] New insights on the duration distribution of long GRBs from Collapsars

Omer Bromberg, Ehud Nakar+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2011

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出，长伽马射线暴（LGRBs）在多个卫星观测中持续时间分布的平台区，是星爆模型中喷流穿出时间的直接观测证据。该平台区源于引擎活动时间与穿出时间的卷积，为该模型提供了有力证据，表明存在大量被阻断的喷流，并显示将2秒作为非星爆模型分类阈值与Swift数据不一致，但与BATSE和可能的Fermi数据相符。

ABSTRACT

According the Collapsar model long gamma-ray bursts (LGRBs) involve relativistic jets that puncture the envelope of a collapsing star, and produced the γ-rays after they break out. This model provides a theoretical framework for the well known association between LGRBs and massive stars. However although this association is supported by a wealth of observations, to this date there is no direct observational evidence for the emergence of the jet from the star. In other words there is no direct evidence for the Collapsar model. Here we show that a distinct signature of the Collapsar model is the appearance of a plateau in the duration distribution of the prompt GRB emission at times much shorter than the typical breakout time of the jet. This plateau is evident in the data of all major GRB satellites, and provides a direct evidence supporting the Collapsar model. It also enables us to place limits on the sizes and masses of LGRB progenitors; suggests the existence of a large population of choked (failed) GRBs; and indicates that the 2 s duration commonly used to separate Collapsars and non-Collapsars holds for BATSE and possibly Fermi GBM GRBs, but it is inconsistent with the duration distributions of Swift GRBs.

研究动机与目标

• 识别星爆模型的直接观测证据，该模型目前虽有强烈间接证据，但缺乏实证确认。
• 解释来自BATSE、Swift和Fermi GBM数据中观测到的长伽马射线暴持续时间分布中平台区的起源。
• 利用持续时间分布约束前身恒星的性质，估算被阻断（失败）的伽马射线暴比例，并确定区分星爆模型与非星爆模型的真实持续时间阈值。
• 研究探测器能量响应和选择效应如何影响观测到的持续时间分布及伽马射线暴的分类。

提出的方法

• 将观测到的伽马射线暴持续时间分布建模为引擎活动时间分布与喷流穿出时间分布的卷积，使用关系式 $ t_{\text{γ}} = t_e - t_b $。
• 假设当 $ t_{\text{γ}} \ll t_b $ 时，分布 $ p_{\text{γ}}(t_{\text{γ}}) $ 因 $ p_e(t_b + t_{\text{γ}}) $ 的恒定性而近似平坦，从而在持续时间分布中形成平台区。
• 利用BATSE、Swift和Fermi GBM观测到的 $ T_{90} $ 分布中的平台区，推断典型的穿出时间 $ \hat{t}_b \sim $ 数十个秒。
• 将 $ T_{90} \gtrsim 100 $ 秒的持续时间分布幂律尾部外推（$ p_{\text{γ}} \propto T_{90}^{\alpha} $，$ -4 < \alpha < -3 $），以估算 $ t_b $ 以下的被阻断喷流数量。
• 通过三颗卫星样本的统计分析，计算非星爆模型比例 $ f $ 作为 $ T_{90} $ 的函数，并确定 $ f = 0.5, 0.7, 0.9 $ 时的 $ T_{90} $ 值。
• 通过比较不同仪器的过渡阈值（BATSE，能量最硬；Swift，能量最软；Fermi，能量居中），考虑探测器能量响应和选择效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的长伽马射线暴持续时间分布中的平台区是否为星爆模型提供了直接证据？
• RQ2 在不同卫星任务中，长伽马射线暴 $ T_{90} $ 分布中平台区的物理起源是什么？
• RQ3 实际被阻断（失败）的长伽马射线暴占多大比例？该比例如何随观测持续时间变化？
• RQ4 通常用于区分星爆模型与非星爆模型的2秒持续时间阈值，是否适用于所有伽马射线暴探测器？
• RQ5 探测器能量响应和选择函数的差异如何影响观测到的持续时间分布及伽马射线暴的分类？

主要发现

• 在BATSE、Swift和Fermi GBM数据中，长伽马射线暴持续时间分布的平台区，是星爆模型中喷流穿出时间的直接观测证据。
• 典型穿出时间 $ \hat{t}_b $ 估计为数10秒量级，与致密恒星前身体的理论预期一致。
• 对 $ T_{90} \gtrsim 100 $ 秒的幂律尾部外推表明，被阻断的喷流数量至少是成功长伽马射线暴的10倍，支持存在大量失败伽马射线暴的结论。
• 用于区分非星爆模型的2秒持续时间阈值在BATSE中成立，但在Swift数据中不一致，其过渡点位于 $ \sim 0.6 $ 秒。
• 对于Fermi GBM，过渡阈值为 $ \sim 1.7 $ 秒，表明2秒的截止值仅勉强适用，且取决于探测器灵敏度和能量窗口。
• 在Swift数据中，当 $ T_{90} < 0.6 $ 秒时，非星爆模型的比例超过50%，表明该任务中短暴主要为非星爆模型，与BATSE情况不同。