[论文解读] Intrisic Dispersion of Correlations among Ep, Lp, and Eiso of Gamma Ray Bursts depends on the quality of Data Set

Ryo Tsutsui, T. Nakamura+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2010

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

一句话总结

本研究探讨了数据质量对伽马射线暴（GRBs）中 E_p–L_p 和 E_p–T_L–L_p 关系内在弥散的影响。通过将109个GRBs分为‘金’（使用具有四个自由参数的Band模型）和‘青铜’（CPL或固定β的Band模型）数据集，作者发现金数据集的内在弥散显著更低（E_p–T_L–L_p 的 σ_int = 0.13，E_p–L_p 的 σ_int = 0.22），表明光谱拟合方法对关系紧密度及宇宙学应用价值具有决定性影响。

ABSTRACT

We reconsider correlations among the spectral peak energy ($E_p$), 1-second peak luminosity ($L_p$) and isotropic energy (\Eiso), using the database constructed by \citet{yonetoku10} which consists of 109 Gamma-Ray Bursts (GRBs) whose redshifts are known and $E_p$, $L_p$ and \Eiso are well determined. We divide the events into two groups by their data quality. One (gold data set) consists of GRBs with peak energies determined by the Band model with four free parameters. On the other hand, GRBs in the other group (bronze data set) have relatively poor energy spectra so that their peak energies were determined by the Band model with fixed spectral index (i.e. three free parameters) or by the Cut-off power law (CPL) model with three free parameters. Using only the gold data set we found the intrinsic dispersion in $\log L_p$ ($=σ_{ m int}$) is 0.13 and 0.22 for sutsui correlation ($T_L \equiv E_{ m iso}/L_p$) and \yonetoku correlation, respectively. We also find that GRBs in the bronze data set have systematically larger $E_p$ than expected by the correlations constructed with the gold data set. This means that the intrinsic dispersion of correlations among $E_p$, $L_p$, and \Eiso of GRBs depends on the quality of data set. At present, using sutsui correlation with gold data set, we would be able to determine the luminosity distance with $\sim 16%$ error, which might be useful to determine the nature of the dark energy at high redshift $z > 3$.

研究动机与目标

• 评估用于确定 E_p 的光谱数据质量如何影响 GRBs 中 E_p–L_p 和 E_p–T_L–L_p 关系的内在弥散。
• 研究光谱拟合模型（如 Band 与 CPL）带来的系统性偏差是否导致经验性 GRB 关系中观测到的弥散。
• 确定高质量数据（金集）的 GRBs 是否相比低质量数据（青铜集）产生更紧密、更具宇宙学实用价值的关系。
• 评估 E_p–T_L–L_p 关系作为 z > 3 处探测暗能量的距离指示器的潜力。
• 识别并分析金数据集中可能由视向角效应或探测阈值引起的异常值。

提出的方法

• 作者使用了 Yonetoku 等人（2010）研究中已知红移、且 E_p、L_p 和 E_iso 确定良好的 109 个 GRBs 样本。
• 根据光谱拟合质量将 GRBs 分为‘金’和‘青铜’数据集：金集使用完整 Band 模型（四个自由参数），青铜集使用 CPL 或固定 β 的 Band 模型（三个自由参数）。
• 仅使用金数据集，计算 E_p–T_L–L_p 和 E_p–L_p 关系中 log L_p 的内在弥散（σ_int）。
• 通过比较青铜集与金集的 E_p 值，评估青铜集中是否存在系统性高估。
• 通过在 E_p–T_L–L_p 空间中的位置对金数据集中的异常值进行识别与分类，以探究其可能的物理成因。
• 通过估算其光度距离精度（±16% 误差）来评估 E_p–T_L–L_p 关系的宇宙学实用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 E_p–L_p 和 E_p–T_L–L_p 关系中的内在弥散是否取决于用于确定 E_p 的光谱数据质量？
• RQ2 青铜数据集中的 GRBs 是否因使用 CPL 模型或固定 β 的 Band 模型而系统性高估 E_p？
• RQ3 使用高质量数据（金集）的 E_p–T_L–L_p 关系能否作为 z > 3 处可靠的宇宙学距离指示器？
• RQ4 金数据集中观测到的异常值由何引起？是否源于视向角效应或探测阈值？
• RQ5 光谱拟合方法带来的系统性误差在多大程度上导致了经验性 GRB 关系中的弥散？

主要发现

• 仅使用金数据集计算时，E_p–T_L–L_p 关系的内在弥散为 σ_int = 0.13，表明该关系非常紧密。
• 金数据集下 E_p–L_p 关系的内在弥散为 σ_int = 0.22，显著低于以往报告的数值。
• 青铜数据集中的 GRBs 其 E_p 值系统性高于基于金集关系的预期值，表明光谱拟合方法存在偏差。
• 使用 CPL 模型或固定 β 的 Band 模型会导致 E_p 高估约 ~100 keV，Kaneko 等人（2006）的模拟已证实此现象。
• 金数据集中的异常值（如 980425、000131）可能源于视向角效应或探测阈值，其移除可进一步收紧关系。
• 使用金数据的 E_p–T_L–L_p 关系可实现约 16% 误差的光度距离测定，使其成为在 z > 3 处探测暗能量的有前途工具。