[论文解读] The Ep,i - Eiso correlation and Fermi Gamma-Ray Bursts

L. Amati|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 16

一句话总结

本文研究了费米伽马射线暴（GRB）数据中 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 关系的特性，利用高精度的GBM光谱测量结果，证实该关系在长暴和短暴中均具有稳健性。研究发现，费米GRB，包括像 080916C 和 090323 这类极高能事件，始终位于已确立的关系线上，其斜率约为 0.5，本征离散度约为 0.2 dex，支持其作为宇宙学和物理诊断工具的使用价值。

ABSTRACT

The Ep,i - Eiso correlation is one of the most intriguing properties of GRBs, with significant implications for the understanding of the physics and geometry of the prompt emission, the identification and investigation of different classes of GRBs, the use of GRBs as cosmological probes. The Fermi satellite, by exploiting the high accuracy of the GBM instrument in the measurement of Ep, the simultaneous detection of GRBs with Swift, and the detection and localization of GRBs in the GeV energy range by the LAT instrument, is allowing us to enrich the sample of of GRBs with known redshift and reliable estimate of Ep,i, and, thus, to further test the robustness, reliability and extension of this correlation. Based on published results and preliminary spectral data available as of the end of 2009, it is found that the locations in the Ep,i - Eiso plane of Fermi long and short GRBs with measured redshift, including extremely energetic events, are consistent with the results provided by previous / other experiments.

研究动机与目标

• 利用费米GBM提供的高精度光谱数据，检验 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 关系的稳健性。
• 评估费米GRB，包括高能和短暴事件，是否遵循以往任务观测到的既定关系。
• 评估仪器效应和选择性效应对关系离散度和斜率的影响。
• 研究具有GeV辐射的极高能GRB（如 080916C、090323）与该关系的一致性。
• 在 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 平面中确认长暴与短暴的区分，支持其不同辐射机制的假设。

提出的方法

• 从GCNs和GBM数据发布中获取费米GRB的红移、流量和光谱参数（如 $E_{\rm p,i}$、$\alpha$、$\beta$）。
• 利用静止系 $\nu F_\nu$ 峰值能量和各向同性能量通量，采用Amati等人（2002）提出的方法计算 $E_{\rm iso}$。
• 在 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 平面中绘制GRB，并对费米样本拟合幂律关系：$E_{\rm p,i} \propto E_{\rm iso}^\alpha$。
• 将仅基于费米数据的相关关系的斜率和本征离散度（$\sigma$）与以往任务（如BATSE、Swift）建立的相关关系进行比较。
• 通过将 $E_{\rm iso}$ 计算扩展至10 GeV，分析高能事件（如 080916C、090323）是否出现光谱偏离。
• 使用Spearman等级相关系数量化费米样本中 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 关系的强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有红移测量和GBM光谱参数的费米GRB是否遵循已确立的 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 关系？
• RQ2 费米GRB中 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 关系的斜率和本征离散度是否与以往任务的结果一致？
• RQ3 具有GeV辐射的极高能GRB（如 080916C、090323）在 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 平面中的行为如何？
• RQ4 短GRB，包括GRB 090510，是否如早期研究所示，偏离 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 关系？
• RQ5 仪器效应或能量 band 限制在多大程度上导致观测到的相关关系产生偏差？

主要发现

• 费米长暴的 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 关系具有稳健性，幂律斜率约为0.5，与BATSE和Swift的先前结果一致。
• 本征离散度（以 $\sigma(\log E_{\rm p,i}) \sim 0.2$ dex 衡量）在费米、BATSE和Swift数据集中保持一致。
• 费米GRB，包括高能事件GRB 080916C和GRB 090323，即使在将 $E_{\rm iso}$ 计算扩展至10 GeV时，仍位于已确立的关系线上。
• GRB 090510，一个具有红移测量的短暴，明显偏离 $E_{\rm p,i}$--$E_{\rm iso}$ 关系，证实了早期发现。
• 108个长暴的Spearman等级相关系数为 $\rho = 0.86$，表明存在强烈的单调关系。
• 当在扩展能量带（最高至10 GeV）中计算时，该关系保持稳定，斜率和离散度无显著变化，表明该关系具有物理意义，而非仪器伪影。