[论文解读] The local energy production rates of GRB photons and of UHECRs

Eli Waxman|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 5

一句话总结

本文解决了早期估算与2010年分析之间存在的矛盾，后者指出宇宙射线（UHECR）的产生率比伽马射线暴（GRB）光子能量产生率高出约10^2.5倍。本文表明，通过校正GRB探测中的观测偏差，并假设银河系与河外宇宙射线的过渡能量约为10^19 eV，可恢复一致性：Q_MeV,GRB^z=0 ≈ Q_10EeV^z=0。

ABSTRACT

In a recent analysis it was found that the local (z=0) rate at which gamma-ray bursts (GRBs) produce energy in 1 MeV photons, Q_GRB(z=0), is 300 times lower than the local energy production rate in ultra-high energy cosmic-rays. This may appear to be in contradiction with earlier results, according to which Q_GRB(z=0) is similar to the local energy production rate in >10^{19} eV cosmic-rays, Q_{10EeV}(z=0). This short (1 page) note identifies the origin of the apparent discrepancy and shows that Q_GRB(z=0) \sim Q_{10EeV}(z=0) holds.

研究动机与目标

• 解决早期估算与Eichler等人（2010年）之间看似矛盾的问题，后者发现z=0时UHECR产生率约为GRB光子能量产生率的10^2.5倍。
• 探讨矛盾的根源，重点关注银河系-河外宇宙射线过渡能量的假设以及河外源谱延伸的假设。
• 通过校正非触发的暗淡/遥远爆发等观测偏差，重新评估GRB光子的本地能量产生率（Q_MeV,GRB^z=0）。
• 评估在应用适当的总能量校正和源演化模型后，推断的UHECR产生率（Q_XG^z=0）是否与GRB光子能量产生率一致。
• 确定在对GRB光度函数和宇宙射线源分布做出合理假设时，Q_MeV,GRB^z=0 ≈ Q_10EeV^z=0是否成立。

提出的方法

• 使用校正后的GRB探测阈值重新评估Q_MeV,GRB^z=0，考虑在z≈1.5时低于BATSE灵敏度限的非触发爆发。
• 对GRB光子能量产生率应用总能量校正，估计Q_γ,GRB^z=0 / Q_MeV,GRB^z=0 > 1，因为发射能量超出1 MeV波段。
• 利用观测到的UHECR谱，并假设银河系-河外过渡能量约为10^19 eV，推断在ε > 10^19.5 eV时，Q_XG^z=0 = 5×10^43 erg/Mpc³/yr，与早期估算一致。
• 考虑将河外源谱延伸至10^18 eV以下的影响，若谱在多个十年内延伸，则Q_XG^z=0将增加约10倍。
• 将Eichler等人（2010年）推断的Q_XG^z=0与校正后的Q_MeV,GRB^z=0进行比较，表明矛盾源于假设了较低的过渡能量和延伸的XG谱。
• 对GRB光子和UHECR均应用总能量校正因子，承认由于GRB率演化和光度函数的不确定性，Q_XG^z=0 / Q_γ,GRB^z=0的比值存在不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何Eichler等人（2010年）发现Q_XG^z=0 ≈ 10^2.5 × Q_MeV,GRB^z=0，与早期估算相矛盾？
• RQ2 GRB探测中的观测偏差（尤其是非触发的暗淡/遥远爆发）如何影响推断的Q_MeV,GRB^z=0？
• RQ3 假设银河系-河外宇宙射线过渡能量低于10^19 eV，对推断的UHECR产生率有何影响？
• RQ4 将河外源谱延伸至10^18 eV以下，会使Q_XG^z=0相对于Q_10EeV^z=0增加多少？
• RQ5 通过校正探测偏差和适当的总能量校正，能否解决UHECR与GRB能量产生率之间的明显矛盾？

主要发现

• Q_MeV,GRB^z=0与Q_XG^z=0之间看似矛盾，主要源于Eichler等人（2010年）假设银河系-河外过渡能量远低于10^19 eV。
• 校正非触发GRB爆发（尤其在z≈1.5时，探测阈值对应典型GRB光度）后，Q_MeV,GRB^z=0增加了约3至5倍。
• Eichler等人（2010年）推断的Q_MeV,GRB^z=0比早期估算低约10倍，这是由于对时间平均GRB通量的低估和遗漏了暗淡爆发。
• 在校正观测偏差后，Q_MeV,GRB^z=0 ≈ 5×10^42 erg/Mpc³/yr，与早期估算一致，并与Q_10EeV^z=0匹配。
• 若假设银河系-河外过渡能量约为10^19 eV，且XG谱在10^19 eV以下延伸多个十年，则Q_XG^z=0 / Q_10EeV^z=0 ≈ 10，与观测到的UHECR通量一致。
• 由于GRB光度函数演化、总能量校正和XG谱真实延伸范围的不确定性，Q_XG^z=0 / Q_γ,GRB^z=0的比值存在不确定性。