[论文解读] Gamma Ray Bursts Scaling Relations to test cosmological models

Salvatore Capozzıello, L. Consiglio+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文利用经验导出的标度关系，研究伽马射线暴（GRBs）作为宇宙学距离指示器，以检验宇宙学模型，特别是ΛCDM模型。通过使用超新星Ia（SNeIa）校准GRB光度，并分析E_peak–E_γ和L_iso–E_peak–T_0.45等关联关系，作者表明GRBs得出的宇宙学参数与ΛCDM模型一致，同时探讨了其在中微子和引力波探测中的潜力，并强调了平方公里阵列（SKA）在实现首次全面GRB射电巡天中的作用。

ABSTRACT

Gamma ray burst (GRBs) can be used to constrain cosmological parameters from medium up to very high redshift. These powerful systems could be the further reliable distance indicators after SNeIa supernovae. We consider GRBs samples to achieve the luminosity distance to redshift relation and derive the values of the cosmographic parameters considering several possible scaling relations. GRBs, if calibrated by SNeIa, seem reliable as distance indicators and give cosmographic parameters in good agreement with the LCDM model. GRBs correlations with neutrino and gravitational wave signals are also investigated in view of high energy neutrino experiments and gravitational wave detectors as LIGO-VIRGO. A discussion on the GRB afterglow curve up to the visible and radio wavelengths is developed considering the possibility to use the Square Kilometer Array (SKA) telescope to achieve the first GRB-radio survey.

研究动机与目标

• 评估GRBs作为高红移距离指示器的可行性，超越超新星Ia的适用范围。
• 通过使用基准模型校准的标度关系，解决GRB宇宙学中的循环性问题。
• 评估GRBs在探测高能中微子和引力波信号方面的潜力。
• 探索利用平方公里阵列（SKA）通过射电观测构建完整GRB光度曲线的可行性。
• 在缺乏对其标度关系完整理论理解的情况下，提供标准化GRBs的唯象学框架。

提出的方法

• 利用GRB喷流发射性质（如E_peak、E_γ、T_0.45、L_iso）与红移之间经验性驱动的标度关系，推断光度距离。
• 应用基准宇宙学模型（如ΛCDM）校准GRB关联关系，通过迭代拟合缓解循环性问题。
• 利用GRB光度距离得到的哈勃图来检验宇宙学模型。
• 通过喷流模型中的非弹性质子-中子碰撞，分析GRBs可能产生的高能中微子辐射。
• 评估先进LIGO-Virgo探测器探测与短GRBs相关的致密双星并合引力波信号的可探测性。
• 提出利用平方公里阵列（SKA）开展首次系统性GRB射电巡天，以完整其多波段光度曲线。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRB标度关系能否在超新星Ia无法覆盖的高红移区域提供可靠的宇宙学距离测量？
• RQ2 GRBs推导出的宇宙学参数与ΛCDM模型预测相比如何？
• RQ3 GRBs在多大程度上可作为高能中微子源？未来中微子探测器如IceCube或KM3NeT如何探测它们？
• RQ4 LIGO-Virgo等引力波探测器探测与GRBs共事的引力波信号的潜力如何？
• RQ5 平方公里阵列（SKA）能否通过探测GRB的射电余晖，实现对GRBs完整多波段光度曲线的构建？

主要发现

• 通过SNeIa校准的GRBs得出的宇宙学参数与ΛCDM模型的预测高度一致。
• L_iso–E_peak–T_0.45关联关系提供了一种稳健方法，仅利用瞬时发射数据即可估算光度距离，避免依赖余晖测量。
• 理论预测GRBs可通过喷流中非弹性质子-中子碰撞产生高能中微子（能量范围从GeV到EeV），为内部激波物理和宇宙射线加速提供探测途径。
• 理论模型表明，部分GRBs起源于致密双星并合，使其可通过先进LIGO-Virgo探测到引力波 chirp 信号。
• 预计平方公里阵列（SKA）将实现首次全面的GRB射电巡天，显著提升GRB光度曲线在电磁波谱中的完整性。
• 尽管进行了广泛搜索，迄今为止尚未探测到GRBs导致的高能中微子显著过量，凸显了提高探测灵敏度和分析技术的迫切需求。