[论文解读] Fermi/GBM Short Gamma-ray Burst Catalog and Case Study for GRB 170817A/GW 170817

Rui-Jing Lu, Hai-Ming Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文基于费米/GBM 9年观测数据，构建了275个典型短伽马射线暴（sGRBs）和48个sGRB 170817A类弱事件的星表，识别出两种不同的光变曲线形态，并在时宽和峰值能量上发现初步的双峰分布。研究推测sGRB 170817A类事件可能起源于中子星-中子星并合，而I型光变曲线sGRBs可能来自不同的爆发源群体。

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 $\Gamma=0.69\pm 0.40$. 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 $\Gamma$ 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

• 整理费米/GBM在9年运行期间探测到的短伽马射线暴（sGRBs）的全面星表。
• 在GW 170817-GRB 170817A关联的背景下，研究sGRB 170817A类弱sGRBs的特性。
• 基于光变曲线形态、光谱特征和时宽分布，识别sGRBs的潜在亚群。
• 检验$T_{90}$、$E_p$与谱指数$\Gamma$之间的相关性，以评估爆发源的多样性。
• 确定sGRB 170817A类事件是否代表一类具有不同于典型sGRBs的爆发源的独立sGRB类别。

提出的方法

• 分析费米/GBM的2217个伽马暴数据，基于光变曲线形态对短伽马射线暴进行识别与分类。
• 将sGRB光变曲线分为两类：单次爆发（I型，占61%）与多次爆发（II型，占39%）。
• 采用截断幂律谱模型拟合，推导谱指数（$\Gamma = 0.69 \pm 0.40$）与峰值能量（$E_p$）。
• 对$T_{90}$、$E_p$与$\Gamma$的分布进行统计检验，以识别双峰特征与相关性。
• 将GRB 170817A的$E_{\text{iso}}$与$E_{\text{iso,p}}$与典型sGRBs的$E_{\text{iso}}-E_{\text{iso,p}}$关系进行比较。
• 利用$E_{\text{iso}}$与$L_{\text{iso}}$评估sGRB 170817A的各向同性能量与光度，并对其特性进行分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 费米/GBM sGRB样本中是否存在不同的光变曲线形态，提示不同的物理机制？
• RQ2 sGRBs的$E_p$分布是否呈现双峰结构？若存在，其对爆发源群体意味着什么？
• RQ3 在sGRB群体中，$T_{90}$、$E_p$与谱指数$\Gamma$之间是否存在相关性？
• RQ4 sGRB 170817A的特性在$E_p$、$L_{\text{iso}}$与$E_{\text{iso}}$方面与更广泛的sGRB群体相比如何？
• RQ5 sGRB 170817A类弱sGRBs是否代表一类具有不同于典型sGRBs的爆发源的独立sGRB类别？

主要发现

• 费米/GBM sGRB样本包含275个典型sGRBs和48个sGRB 170817A类弱事件，光变曲线中61%为I型（单次爆发），39%为II型（多次爆发）。
• 时宽（$T_{90}$）与峰值能量（$E_p$）分布显示出初步的双峰特征，$E_p$在145 keV与500 keV处各有一个峰值。
• 谱指数（$\Gamma$）分布在$0.69 \pm 0.40$附近，其中4个sGRBs的谱无法被截断幂律模型良好拟合。
• 未发现$T_{90}$、$E_p$与$\Gamma$之间存在显著相关性，提示其辐射机制多样。
• GRB 170817A是一个软且能量较低的sGRB，其$E_p = 124 \pm 106$ keV，$L_{\text{iso}} = (5.67 \pm 4.65) \times 10^{46}$ erg s$^{-1}$，$E_{\text{iso}} = (3.23 \pm 2.65) \times 10^{46}$ erg，与典型sGRBs的$E_{\text{iso}}-E_{\text{iso,p}}$关系一致。
• 两种光变曲线形态及双峰的$E_p$与$T_{90}$分布提示存在两类不同的sGRB群体，其中sGRB 170817A类事件可能源自NS-NS并合，而I型sGRBs则来自另一类爆发源系统。