[论文解读] {\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 5

一句话总结

本文基于9年观测数据，构建了包含275个典型短伽马射线暴（sGRBs）和48个类似sGRB 170817A的弱事件的全面Fermi/GBM目录，分析了光变曲线形态、光谱特性及时间分布。研究识别出两种不同的光变曲线形态（I型：单个爆发事件，占61%；II型：多个爆发事件，占39%），并在$T_{90}$和$E_{\rm mp}$中发现初步的双峰分布，暗示存在两种不同前身体系统——sGRB 170817A类事件可能源自中子星-中子星并合，而I型事件可能来自另一类前身体系统。

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.

研究动机与目标

• 编制Fermi/GBM在9年运行期间探测到的短伽马射线暴（sGRBs）的系统性目录。
• 研究sGRB 170817A类弱sGRBs的特性，并与更广泛的sGRB群体进行比较。
• 确定sGRB 170817A类事件是否代表一类具有不同前身体的独立sGRB类别。
• 通过分析光变曲线形态、光谱参数和时间分布，识别潜在的双峰特征。

提出的方法

• 利用$gtBurst$软件包从Fermi/GBM和LAT仪器中提取数据，生成能量依赖的光变曲线和光谱。
• 应用贝叶斯分块算法，将光变曲线分割为统计显著的爆发段，以将事件分类为I型（单个爆发）和II型（多个爆发）。
• 采用截断幂律谱模型进行谱拟合，为每个暴测得$E_{\rm p}$、$\Gamma$和通量参数。
• 统计分析包括使用单高斯和双高斯函数拟合$T_{90}$与$E_{\rm p}$分布，以检验双峰性。
• 在GBM数据档案中进行了深度搜索，采用与sGRB 170817A相同的筛选标准，以识别类似弱sGRBs。
• 利用样本检验$E_{\rm iso}-E_{\rm p}$关系，并与理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 sGRB 170817A类弱sGRBs在光变曲线形态和光谱特性上是否与典型sGRBs不同？
• RQ2 sGRBs的$T_{90}$分布是否表现出双峰结构，暗示存在两种物理上不同的群体？
• RQ3 是否存在$E_{\rm p}$的双峰分布？若存在，其对前身体多样性的含义是什么？
• RQ4 sGRB 170817A类事件是否遵循典型sGRBs中观测到的标准$E_{\rm iso}-E_{\rm p}$关系？
• RQ5 两种光变曲线模式（I型与II型）在前身体系统方面具有何种意义？

主要发现

• sGRB样本包含275个典型sGRBs和48个sGRB 170817A类弱事件，其中61%归类为I型（单个爆发事件），39%为II型（多个爆发事件）。
• $T_{90}$分布显示出初步的双峰特征，峰值分别位于约0.5秒和2.5秒。
• 谱指数$\Gamma$分布在$0.69 \pm 0.40$附近，$E_{\rm p}$显示出初步的双峰分布，峰值位于145 keV和500 keV。
• sGRB 170817A的$E_{\rm p} = 124 \pm 106$ 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，其遵循典型sGRBs的$E_{\rm iso}-E_{\rm p}$关系。
• 未发现$T_{90}$、$E_{\rm p}$和$\Gamma$之间存在显著相关性，表明其物理过程相互独立。
• 两种光变曲线模式以及$T_{90}$和$E_{\rm p}$的双峰分布，支持了存在两类不同sGRB群体的假设：sGRB 170817A类事件可能源自NS-NS并合，而I型事件可能来自另一类前身体系统。