[论文解读] Redshifts For 224 BATSE Gamma-Ray Bursts Determined by Variability and the Cosmological Consequences

E. E. Fenimore, E. Ramírez-Ruiz|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2000

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 1

一句话总结

该论文提出了一种类似造父变星的相关关系，即伽马射线暴（GRBs）的变异性-光度关系，仅利用伽马射线数据即可通过时间变异性作为距离指示器来估计红移。将该方法应用于224个BATSE GRBs后，发现GRB率随红移呈(1+z)^{3.6±0.3}的演化，表明恒星形成速率可能在z≈2之后仍持续上升，这与受尘埃影响的SFR观测结果相矛盾。

ABSTRACT

We show that the time variability of a gamma-ray burst (GRB) appears to be correlated with the absolute luminosity of the burst: smooth bursts are intrinsically less luminosity. This Cepheid-like relationship can be used to determine the redshift of a GRB from parameters measured solely at gamma-ray energies. The relationship is based on only seven events at present and needs to be further confirmed with more events. We present the details of converting GRB observables to luminosities and redshifts for 224 bright, long GRBs from the Burst and Transient Source Experiment (BATSE) and explore the cosmological consequences. In particular, we derive the GRB rate as a function of z without assuming either a luminosity function or that the GRB rate follows the star formation rate (SFR). We find that the GRB rate scales as (1+z)^{3.6 \\pm 0.3} and is roughly consistent with the SFR at z < 1.5. The SFR observations can be strongly affected by dust for z > 2 whereas GRB observations are not. If GRBs trace star formation, then our results indicate that the SFR does not peak at z\\sim 2 but instead continues to increase at least until z \\sim 3. We have used the SFR to correct the observed GRB luminosity function for the incompleteness due to the detection threshold, resulting in a luminosity function with a power law index of \\sim -2.9 that rolls over at low luminosity. The reality of our variability--luminosity relationship requires confirmation but, if valid, will provide a powerful tool for studying both GRBs and the early universe.

研究动机与目标

• 建立GRBs中的变异性-光度关系，作为无需光学数据即可估计红移的工具。
• 在不假设光度函数或GRB率遵循星形成率（SFR）的前提下，推导红移相关的GRB率。
• 利用SFR作为先验，校正观测到的GRB光度函数以消除探测阈值不完整性的影响。
• 检验GRBs是否追踪星形成，并评估其对早期宇宙宇宙学的影响。

提出的方法

• 测量来自BATSE数据库的224个明亮、长暴GRBs的时间变异性，通过所提出的类造父变星相关关系推断其本征光度。
• 利用推导出的光度-距离关系，直接从伽马射线光曲线估计红移。
• 将星形成率（SFR）作为先验，校正观测到的光度函数以消除探测阈值不完整性的影响。
• 对校正后的光度函数进行拟合，以确定其幂律指数及低光度处的转折点。
• 对GRB率作为红移函数的幂律拟合，假设其形式为(1+z)^α，并从数据中约束α的值。
• 将推断出的GRB率演化与SFR观测结果进行比较，以评估一致性并探究高红移处尘埃的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用GRB光曲线的时间变异性来估计本征光度，从而在无光学数据的情况下估计红移？
• RQ2 GRB率的红移演化如何，且不依赖于光度函数或SFR的假设？
• RQ3 观测到的GRB率演化是否支持标准模型中GRBs追踪星形成的观点？
• RQ4 校正探测阈值不完整性后，GRB光度函数的行为如何？
• RQ5 数据是否表明星形成率在z≈2处达到峰值，或在更高红移处继续增加？

主要发现

• 尽管目前仅基于七个事件，该变异性-光度关系已能仅凭伽马射线数据实现红移估计。
• 发现GRB率随(1+z)^{3.6±0.3}演化，表明在z≈1.5之后红移越高，GRB率显著增加。
• 在z < 1.5时，GRB率与星形成率大致一致，支持GRBs作为星形成追踪器的观点。
• 校正后的GRB光度函数具有约-2.9的幂律指数，并在低光度处出现转折。
• 结果表明，星形成率可能并未在z≈2处达到峰值，而是继续增加至至少z≈3，这与受尘埃影响的SFR观测结果相反。
• 若该变异性-光度关系得到证实，它将为利用GRBs探测高红移宇宙提供强大工具。