[论文解读] Gamma-Ray Burst Observations at High Energy with the Fermi Large Area Telescope

Aurelien Bouvier|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

本论文利用费米大天区望远镜（Fermi Large Area Telescope, LAT）在运行前1.5年内的高能伽马射线观测数据，对伽马射暴（Gamma-Ray Bursts, GRBs）进行了研究，分析了光谱特征、时间延迟以及高能辐射，以约束量子引力模型和河外背景光（Extragalactic Background Light, EBL）。研究共探测到14个GRBs，其中包括四个极为明亮的源，揭示了1 GeV以上能量范围内的光谱曲率和光子延迟，对能量依赖的光速提出了强限制，并否定了多个EBL模型。

ABSTRACT

The Fermi Gamma-ray Space Telescope with its main instrument onboard, the Large Area Telescope (LAT), opened a new era in high-energy astrophysics and in particular for the study of Gamma-Ray Bursts (GRBs), which are short flashes of -rays associated with the brightest and most distant events ever observed in our universe after the Big Bang. My thesis work focused primarily on the observations of this phenomenon with the LAT (20 MeV - 300 GeV) and the Gamma-ray Burst Monitor (10 keV - 40 MeV) onboard the Fermi satellite. After describing the procedure used for detection and analysis of LAT GRBs, I will provide an overview of the temporal and spectral features observed during the prompt emission of these events after one year and a half of operation for Fermi. GRBs can also be used as a tool to probe interesting physics. My focus will be on the detection of very high energy photons (typically above 10 GeV) associated with LAT GRBs and which were used to set significant constraints both on a possible violation of Lorentz invariance - which postulates that all observers measure exactly the same speed of light in vacuum, independently of photon energy - and on the Optical-Ultraviolet extragalactic background light in the Universe.

研究动机与目标

• 利用费米LAT在运行前1.5年内的数据，表征GRBs的高能瞬时辐射特征。
• 研究LAT观测GRBs中的光谱特征，如曲率、高能成分以及时间延迟。
• 利用明亮GRBs作为探针，通过能量依赖的光子速度约束量子引力效应。
• 利用GRBs和耀变体（blazars）测量河外背景光（EBL）对高能伽马射线传播的影响。
• 评估GRBs作为宇宙距离标准烛光的可行性，评估其光度演化与选择效应。

提出的方法

• 采用针对瞬变源优化的费米LAT事件选择方法，提升了对高能GRB辐射的探测灵敏度。
• 应用标准的LAT GRB探测与分析流程，包括光 light curve 和光谱拟合技术。
• 使用Band函数及附加成分进行光谱建模，以描述高能辐射特征。
• 分析子MeV（GBM）与高能（LAT）辐射之间的时间延迟，以检验洛伦兹不变性破坏。
• 利用GRB与耀变体的伽马射线谱，通过在能量高于10 GeV时的对产（γγ → e⁺e⁻）推断光学-紫外波段EBL吸收。
• 将观测到的GRB探测率与费米任务前BATSE的预测进行比较，以推断光度函数及其演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 费米LAT探测到的GRBs中，高能瞬时辐射的光谱特征是什么？
• RQ2 GRBs中的高能光子是否相对于低能辐射表现出时间延迟？这对洛伦兹不变性意味着什么？
• RQ3 能否利用GRBs约束光学-紫外波段的河外背景光（EBL）？
• RQ4 GRBs的光度与光谱特性如何随红移演化？这对它们作为宇宙学工具的使用意味着什么？
• RQ5 选择效应与光度演化在多大程度上影响GRBs作为标准烛光的可靠性？

主要发现

• 费米LAT在前1.5年内探测到14个GRBs，其中包括四个极为明亮的源，其在高能波段的光谱精度前所未有。
• 在其中一个明亮GRB中观测到约1 GeV以上的光谱曲率，表明其偏离简单Band函数模型。
• 探测到子MeV（GBM）与高能（LAT）辐射之间的时间延迟，表明可能存在能量依赖的传播效应。
• LAT数据中未观测到显著的EBL吸收特征，导致否定了Stocker的“基线”和“快速演化”EBL模型。
• GRB探测率与费米任务前BATSE的预测一致，支持峰值光度和各向同性能量存在显著演化的光度函数。
• 发现了强有力的证据表明GRB峰值光度与各向同性能量存在演化，挑战了将GRBs视为标准烛光的假设，表明其存在复杂的宇宙学演化。