[论文解读] Is the Gamma Ray Bursts emission suppressed at high energy?

D. Guetta, E. Pian|ArXiv.org|Oct 12, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本研究通过比较费米-GBM、BATSE和Swift-BAT的数据，调查了高能伽马射线暴（GRB）发射在100 MeV以上是否受到抑制。研究发现，LAT对高能GRB的低探测率无法通过简单的同步辐射外推来解释，表明在多个暴中（包括GRB090217和GRB090202b）存在>100 MeV发射的内在抑制，这些暴在GBM能谱中表现为软谱。

ABSTRACT

We compare the luminosity function and rate inferred from the GBM long bursts peak flux distribution with those inferred from the Swift and BATSE peak flux distribution. We find that the GBM, BATSE and the Swift peak fluxes can be fitted by the same luminosity function implying the consistency of these three samples. Using the trigger algorithm of the LAT instrument we derive important information on the flux at 100 MeV compared to lower energy detected by the GBM. We find that the simple extension of the synchrotron emission to high energy cannot justify the low rate of GRBs detected by LAT and for several GRBs detected by the GBM, the flux at >100 MeV should be suppressed. Two bursts, GRB090217 and GRB 090202B, detected by LAT have very soft spectra in the GBM and therefore their high energy emission cannot be due to an extension of the synchrotron.

研究动机与目标

• 评估GRB的高能发射是否在100 MeV以上受到抑制，挑战简单同步辐射外推的假设。
• 检验费米-GBM、BATSE和Swift-BAT GRB样本中光度函数和率演化的一致性。
• 评估LAT仪器对高能GRB对应体的灵敏度及预期探测率，基于GBM探测到的GRB。
• 确定LAT探测到的GRB数量稀少（仅10个高于30 MeV）是仪器限制所致，还是需要内在谱抑制。
• 研究高能GRB的谱特性，特别是LAT探测到的GRB，以理解高能发射背后的物理机制。

提出的方法

• 对GBM、BATSE和Swift-BAT在50–300 keV能段的长GRB峰值通量分布进行拟合，以推断光度函数和率演化。
• 对所有三个数据集应用光度函数模型（LFb），参数包括$ L^* $、$ \alpha $、$ \beta $及红移依赖的率，使用$ \chi^2 $最小化法评估拟合优度。
• 利用LAT触发算法，在假设简单谱外推的前提下，估算GBM探测到的GRB在100 MeV–10 GeV能段的预期高能通量。
• 将基于视场和灵敏度的预期LAT探测率与实际观测率进行比较，以推断内在抑制的存在。
• 分析LAT探测GRB的谱参数（如$ E_{\rm peak} $、$ \alpha $、$ \beta $），并与GBM数据比较，评估高能区的谱软化程度。
• 应用Band函数和幂律模型拟合能谱分布，评估与标准同步辐射发射的偏离程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRB的高能发射是否在100 MeV以上受到抑制，如LAT探测率远低于GBM所暗示的那样？
• RQ2 从GBM、BATSE和Swift-BAT GRB样本推断出的光度函数和率演化是否表现出一致特性？
• RQ3 LAT探测到的GRB数量稀少（仅10个高于30 MeV）是否可仅由仪器灵敏度解释，还是需要引入内在谱抑制？
• RQ4 由LAT探测到的GRB在GBM能段是否表现出软谱，表明高能发射存在物理抑制？
• RQ5 观测到的高能GRB谱形在多大程度上偏离简单同步辐射外推？

主要发现

• 从GBM、BATSE和Swift-BAT峰值通量分布推断出的光度函数和率演化一致，最佳拟合LFb模型在所有样本中均得到$ \chi^2 \sim 1.3 $。
• GBM样本的光度函数参数为$ L^* = 5.5^{+1.5}_{-2} \times 10^{51} $ erg/s，$ \alpha = 0.3^{+0.1}_{-0.5} $，$ \beta = 2.3^{+0.6}_{-0.3} $，z=0时的速率为$ 0.5^{+0.3}_{-0.2} $ Gpc⁻³yr⁻¹。
• 在假设简单谱外推的前提下，预期的LAT探测率约为GBM探测到的高于30 MeV爆发的1/3，但实际仅探测到约5%，表明存在显著差异。
• 对于GRB090217和GRB090202b，GBM谱非常软，其高能发射无法通过简单同步辐射外推解释，暗示存在内在抑制。
• LAT探测率与早期EGRET与BATSE的统计结果一致，表明高能发射本身稀少，而非仪器偏差所致。
• LAT探测GRB的谱参数（如$ E_{\rm peak} $高达798 keV，$ \beta \approx -3.87 $）表明其谱较硬，但其在>100 MeV处的低通量与简单外推矛盾，支持存在抑制。