[论文解读] Rest-frame properties of gamma-ray bursts observed by the Fermi Gamma-Ray Burst Monitor

D. Gruber|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 25被引用 6

一句话总结

本研究分析了截至2012年5月由费米/GBM探测到的47个红移已测得的伽马射线暴（GRBs）在静止 frame 下的光谱和时间特性。研究确认了Amati关系与Yonetoku关系，其离散度大于以往报道的结果；在静止 frame 下的持续时间 $T_{90, ext{rest}}$ 未发现红移演化；对长暴而言，$E_{\rm p,rest}$ 可能存在宇宙演化趋势，而短暴GRB 080905A在Yonetoku关系中是一个显著的异常值。

ABSTRACT

In this talk I present the main spectral and temporal properties of Fermi/GBM gamma-ray bursts (GRBs) with known redshift. Key properties of these GRBs in the rest-frame of the progenitor are investigated to better understand the intrinsic nature of these events. The sample comprises 47 GRBs with measured redshift that were observed by GBM until May 2012. 39 sources belong to the long-duration population and 8 events were classified as short bursts. For all of these events we derive, where possible, the intrinsic peak energy in the νFν spectrum (Ep,rest), the duration in the rest-frame, defined as the time in which 90% of the burst counts were observed (T90,rest) and the isotropic equivalent bolometric energy (Eiso). We confirm the tight correlation between Ep,rest and Eiso (Amati relation) with a larger scatter than previously reported. We also confirm the relation between Ep,rest and the 1-s peak luminosity (Lp) (Yonetoku relation). Short GRB 080905A, whose host galaxy was identified at redshift z = 0.1218 is a peculiar outlier of this relation. Moreover, an intriguing, but preliminary, cosmic evolution of Ep,rest was observed, while no such evolution is evident for T90,rest.

研究动机与目标

• 研究伽马射线暴在静止 frame 下的本征光谱与时间特性，校正宇宙红移的影响。
• 利用已知红移的校准样本，检验Amati与Yonetoku关系的有效性及其离散度。
• 通过考察其红移依赖性，评估宇宙演化是否影响 $E_{\rm p,rest}$ 或 $T_{90,\text{rest}}$。
• 识别并分析偏离既定经验关系的异常值，如GRB 080905A。

提出的方法

• 分析使用费米/GBM仪器的数据，覆盖8个NaI探测器和2个BGO探测器，能量范围为8 keV至40 MeV。
• 采用四种模型（PL、COMP、Band、SBPL）进行光谱拟合，为每个暴选择最佳拟合模型以推导 $E_{\rm p,rest}$。
• 通过时间膨胀和红移校正观测帧的 $T_{90}$（100–500 keV波段）计算静止 frame 下的持续时间 $T_{90,\text{rest}}$。
• 利用宇宙学参数 $\Omega_m=0.27$、$\Omega_\Lambda=0.73$、$H_0=70.4$ km s⁻¹ Mpc⁻¹，计算静止 frame 下1 keV–10 MeV波段的各向同性等效能量 $E_{\rm{iso}}$ 和峰值光度 $L_p$。
• 采用普通最小二乘法的双线性回归（bOLS）拟合Amati与Yonetoku关系，不确定性在95%与68%置信水平下估计。
• 应用Spearman等级相关检验，评估 $T_{90,\text{rest}}$ 与 $E_{\rm p,rest}$ 的红移依赖趋势的显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有已知红移的大样本、高能覆盖范围的GRBs中，Amati关系（$E_{\rm p,rest}$ 与 $E_{\rm{iso}}$）是否得到确认？其离散度如何？
• RQ2 Yonetoku关系（$E_{\rm p,rest}$ 与 $L_p$）是否适用于长暴与短暴？是否存在显著异常值？
• RQ3 是否存在 $E_{\rm p,rest}$ 或 $T_{90,\text{rest}}$ 随红移增加而发生宇宙演化趋势的证据？
• RQ4 为何短暴GRB 080905A在Yonetoku关系中为异常值？这是否由于源的特殊性质或红移分配错误所致？

主要发现

• Amati关系得到确认，$E_{\rm p,rest}$ 与 $E_{\rm{iso}}$ 的最佳拟合幂律指数为 $0.55 \pm 0.10$，但其离散度大于以往报道。
• Yonetoku关系得到确认，$E_{\rm p,rest}$ 与 $L_p$ 的最佳拟合幂律指数为 $0.48 \pm 0.01$，Spearman等级相关系数为 $\rho=0.8$，偶然概率为 $9 \times 10^{-8}$。
• 在 $T_{90,\text{rest}}$ 中未观察到显著的红移演化，与早期关于探测器灵敏度偏差的主张相矛盾。
• 对长暴而言，$E_{\rm p,rest}$ 与红移之间存在显著相关性（$\rho=0.67$，偶然概率 $1.3 \times 10^{-5}$），但选择效应可能影响该结果。
• 短暴GRB 080905A在Yonetoku关系中为强异常值，可能由于其内在特殊性或宿主星系关联错误。
• 静止 frame 下的峰值能量 $E_{\rm p,rest}$ 显示出潜在的宇宙演化趋势，但需进一步校正选择效应后方可得出明确结论。