[論文レビュー] Outliers to the Isotropic Energy - Peak Energy Relation in GRBs

Ehud Nakar, Tsvi Piran|Dec 9, 2004

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 85

ひとこと要約

本論文は、観測されたフルエンスとピークエネルギーのみを用いて、等方的エネルギー–ピークエネルギー（EpEi）関係を満たさないガンマ線バースト（GRBs）を同定する統計的検定を提案する。BATSEデータにこの検定を適用したところ、長継続時間バーストの約25％が外れ値であることが判明した。これはEpEi関係が普遍的なGRBの性質ではなく、観測的選択バイアスによるものである可能性を示唆し、Swiftがより多くの硬く明るくない外れ値を検出する可能性があることを示している。

ABSTRACT

The peak energy - isotropic energy (EpEi) relation is among the most intriguing recent discoveries concerning GRBs. It can have numerous implications on our understanding of the emission mechanism of the bursts and on the application of GRBs for cosmological studies. However, this relation was verified only for a small sample of bursts with measured redshifts. We propose here a test whether a burst with an unknown redshift can potentially satisfy the EpEi relation. Applying this test to a large sample of BATSE bursts we find that a significant fraction of those bursts cannot satisfy this relation. Our test is sensitive only to dim and hard bursts and therefore this relation might still hold as an inequality (i.e. there are no intrinsically bright and soft bursts). We conclude that the observed relation seen in the sample of bursts with a known redshift might be influenced by observational biases and from the inability to locate and well localize hard and weak bursts that have only a small number of photons. In particular we point out that the threshold for detection, localization and redshift measurement is essentially higher than the threshold for detection alone. We predict that Swift will detect some hard and weak bursts that would be outliers to the EpEi relation. However, we cannot quantify this prediction. We stress the importance of understanding the detection-localization-redshift threshold for the coming Swift detections.

研究の動機と目的

• 未知の赤方偏移を有するバーストが、等方的エネルギー–ピークエネルギー（EpEi）関係を満たす可能性があるかどうかをテストすること。
• 赤方偏移測定済みGRBにおける観測されたEpEi関係が、全GRB集団を代表しているかどうかを評価すること。
• 検出、局所化、赤方偏移測定の閾値といった観測的選択効果が、観測されたEpEi関係をどの程度バイアスしているかを調査すること。
• SwiftがEpEi関係に反するより硬く明るくないGRBをより多く検出するだろうという予測をすること。

提案手法

• 本手法は、観測された全波長フルエンス（F）と観測ピークエネルギー（Ep,obs）を用い、与えられた赤方偏移zに対して、固有のEpの下限と等方的エネルギーEisoの上限を計算する。
• 各バーストに対して、A_kとkがEpEi関係から導かれる次元のない距離d2 = (Eiso / (A_k * Ep^k))を定義する。
• バーストがEpEi関係を満たすためにはd2 ≤ 1でなければならない。d2 > 1の場合は外れ値である。
• この検定は、BATSEの長継続時間バースト（T90 > 2 s）で、4つのエネルギー帯域にわたる完全なフルエンスデータを有するものに適用される。
• 本手法は、BATSEの4チャンネルデータからEp,obsを推定し、スペクトルが完全に解像されていない場合のEp,obsの下限を設定する。
• 分析では、63個のスペクトルが既知のバースト、全BATSEカタログ、および短継続時間バースト（T90 < 2 s）の複数のサンプルにおけるd2値を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたフルエンスとピークエネルギーのみを用いて、未知の赤方偏移を有するバーストがEpEi関係と整合性を持つかどうかをテストできるか？
• RQ2 赤方偏移測定済みサンプルでは2つのバーストしか外れ値でないのに対し、BATSEバーストの約25％がEpEiテストに失敗するのはなぜか？
• RQ3 検出、局所化、赤方偏移測定の閾値が、観測されたEpEi関係をどの程度バイアスしているか？
• RQ4 SwiftはEpEi関係に反するより硬く明るくないGRBをより多く検出するだろうか。その定量的評価は可能か？
• RQ5 EpEi関係はGRBの普遍的性質であるのか、それとも選択バイアスによる不等式（Eiso ≤ A_k * Ep^k）であるのか？

主な発見

• サンプル内の長継続時間BATSEバーストの約25％がEpEiテストに失敗しており、これは関係に対して外れ値であることを示している。
• この検定により、EpEi関係がGRBの一般的な性質ではないことが示され、顕著な割合のバーストがそれを満たせないことが判明した。
• 既知の2つの外れ値、GRB 980425とGRB 031203はいずれも明るくなく硬く、両者ともd2 > 1でテストに失敗した。
• 短継続時間BATSEバースト（T90 < 2 s）の75％以上がd2 > 10であるため、EpEi関係を満たせないことが示された。
• この結果は、EpEi関係が不等式Eiso ≤ A_k * Ep^kに置き換えられるべきであると示唆している。
• 研究は、観測的選択、特に検出よりも赤方偏移測定の閾値が高いことが、赤方偏移測定サンプルにおける外れ値の少なさを説明していると結論づけた。