SWIFT伽玛暴的谱延迟距离指示器

SWIFT伽玛暴的谱延迟距离指示器 SWIFT伽玛暴的谱延迟距离指示器 第29卷第1期 2012年2月 贵州大学(自然科学版) JournalofGuizhouUniversity(NaturalSciences) Vo1.29No.1 Feb.2012 文章编号1000—5269(2012)01—0030—05 SWIFT伽玛暴的谱延迟距离指示器 张义贞,张志彬 (贵州大学理学院,国家天文台?贵州大学天文联合研究中心,贵州贵阳550025) 摘要:早期研究发现,BASTE长暴的相对谱延迟RSL是一个有用的宇宙距离指示器.本文从 SWIFY卫星数据中,挑选lO个单脉冲长伽玛暴(T9>2.6)作为样本,对样本进行降噪和去除 背景,用交叉相关函数1,3能道的谱延迟,通过拟合研究各脉冲参数Asymmetry,F,F t,FWHM,丁和相对谱延迟的关系,发现相对谱延迟和红移具有很好的相关性,这充分明 SWIFr长暴的相对谱延迟仍然是一个很好的红移指示器. 关键词:伽玛射线暴;宇宙学;能谱延迟 中图分类号:P159.2文献标识码:A 伽玛射线暴(简称伽玛暴或GRB)是一种发生 在宇宙学距离上的射线突然增强的爆发现象. GRB光变曲线对研究GRB是非常重要的.利用 光变曲线特征建立的经验能量关系可作为红移标 尺,典型的如光度一时延关系和光度一光变关系. 基于GRB的谱特征人们也建立一些红移指示器, 如E—E.关系E一关系以及E一E,关 系.Cheng等人(1995)研究了不同能道间GRB 光子的谱延迟或时间延迟现象.而短暴的时延比 长暴的小20至40倍且关于零点呈对称分布J. 谱延迟和GRB谱参数之问的研究也有很多一. 例如,宽的脉冲常常有大的时延,并且两者存在紧 密的关系,脉冲宽度(脉冲最大值一半的全宽度, 简称FWHM)和时延任何之一都可以用来的估计 GRB的光度和总能量,关于相对谱延迟和相对 脉冲宽度之间的相关性也作过研究j.Zhangllo] 等人(2006)定义时延和宽度的比值(T/FWHM) 为相对谱延迟(RelativeSpectralLag,RSL)或相对 时延,并用BASTE数据得出相对谱延迟和红移很 好的相关性,那么对于SWIFT数据,此相关性是否 也存在呢?本文对此研究:从SWIFT数据中挑选 样本,并对样本去噪和扣除背景,用交叉相关函数 计算相对谱延迟,并进行误差分析. 1数据处理 1.1样本的选取 由于脉冲间的相互叠加,GRB的脉冲通常是 复杂多变的?卜地j.另外,同一个GRB中不同脉冲 的谱参数也存在较大差别13].Leel14]等人(2002) 还发现同一个GRB中不同能道的脉冲数量通常也 不同.为了能够精确测定不同能段脉冲的时延,从 SWIFT数据中只挑选出亮的单脉冲长暴(,? 2.6S)为研究对象,而且选出的脉冲具有较高的信 噪比.这样从中挑选出符合标准的32个单脉冲暴 构成样本1. 1.2噪声与背景处理 为了得到计算时延的真实脉冲信号数据,首先 要对样本1中的每一个源进行去除背景和消噪处 理,同时还要尽量保证脉冲的完整性.因此选择探 测器触发前/2为时间的起点,到触发后5/2 处为时间终点,间隔为3,由于长暴的持续时间 较长且背景在暴前后差别较大,为减少拟合误差, 先用origin软件对上述间隔内的每个脉冲进行平 滑处理,然后采用下面的KRL脉冲模型同时进行 降噪和扣除背景. 收稿日期:201l一10—17 基金项目:国家自然科学基金(编号:10943006);教育部基金项目(210197,20101174); 贵州省自然科学基金(编号20092662,20104014, 20117006,20090130)和中科院西部之光优秀人才项目(201101) 作者简介:张义贞(1988一),女,汉族,河南洛阳人,硕士研究生,研究方向:非线性物理与自组织,Email:zhangyizhen88@163.eom. $通讯作者:张志彬,Email:z_b—zhang@sina.com. 第1期张义贞等:SWIFY伽玛暴的谱延迟距离指示器?31? (+(】一+ at+6+C(1) 其中,第一项为KRL单脉冲函数,对应于脉冲 信号数据;第二项为二次曲线函数,对应于脉冲背 景的大小,以上噪声和背景的处理使用了zhang等 人(2006)的方法. 在分析不同能道间的谱延迟时,既要求脉冲的 光子流量尽量大又要求能量间隔尽量大,故选取第 一 (15—25keY)和第三(50—100keV)能道间的 时延为研究对象,第一能道的脉冲为样本2,第三 能道的脉冲为样本3,第一能道的脉冲用上述方法 处理后得到的纯脉冲为样本4,第三能道的脉冲用 上述方法处理后得到的纯脉冲为样本5.如图1(a, b,分别表示第一和第三能道脉冲曲线的拟合.实 线表示观测到的光变曲线,虚线表示拟合后的光变 曲线). Trel ,31,(1) ……一..., (33主要结果 ~ . :dp,FW .HM!脉冲半宽度,丁-3.1RsL的分布由c所在的位置确定 .0主,本4/1"1-1q~1-/T*.J得到每2一 .差分要,壬...,一爪I粪;-0爪合 , 一 . 堡GRB数13I23个v-~4的里妻曼妻耋 IJJ@LJJI~1去妻罂时间的误差为零, 得半茹到,这个宽和: ,古 磊…0.0…/-PPl~磊若F孵的两点别为-~ … lJt2则 ., ;蒜0U.U/:IUo..].084u4o-(FWHM)=【(1)+0.2(,2)】(4) :0 一 .0 ' 70 . 8 . f.111 2 4 / IH d 4 . IY 厂 l = … 2 ….'.…. :0.93649,..40869 ? 32?贵州大学(自然科学版)第29卷 05111l O6O9o4B 061021 0710o3 0710l0B 08O430 080804 091020 O6Ol08 060607A 3.40981E一7?6E一8 1.8l03lE一7?4E一8 1.15346E一6?8E一7 1.1144lE一6?1.4E一7 5.48642E一7?4.2E一8 2.68735E一7?4.6E一8 5.1l084E一7?1.45E一7 4.40485E一7?7E一8 5.79961E一8?2.49E一8 1.53O6E一7?2.3E一8 182.21?53.38 83.2?24.61 405.52?167.84 405.524-185.53 56.27?7.86 122.14?46.59 405.52?2O4.15 122.144-37.39 44.02?28.2 138.84-41.32 1.4054-0.141 1.489?0.149 0.601?0.060 1.980?0.198 0.717?0.072 0.331?0.033 — 0.722?0.072 — 0.1044-0.010 1.209?0.12l 0.946?0.095 1.549 0.7o3 0.3463 1.1 0.947 0.767 2.2O45 1.71 2.O3 3.082 46.1 171.5 46.2 l50 >35.7 l6.2 34 34.6 14.3 l02.2 注:GRB06102的红移Z取自L.Christeneta1.(2011) 图232个GRB脉冲的相对谱延迟分布直方图 下rel31 3.2RSL和脉冲参数的关系 l0个GRB脉冲参数非对称性(Asymmetry),半 宽(FWHM),时延(r,),光子峰值计数率(F) 及所对应的时间(t),峰值能量(Ep),峰值流量 (F),与相对谱延迟RSL的关系,如图(3—9). 由表3可以看出:EF.,t,FWHM都与 7__3l呈弱的反相关,Asymmetry,丁3t与7-3I呈强 的正相关.FWHM和Asymmetry都与-31存在线 性关系,说明,也可以作为一个脉冲形状参数, 一 0.2—0.10.O0.1O.2O-3 图3相对谱延迟与非对称性Asymmetry的关系图4相对谱延迟与光子峰值计数 率的关系 840 叫gjZ 若苟ggAs 第1期张义贞等:SWIFT伽玛暴的谱延迟距离指示器?33? 一 O.15一O.10一O.O50.O00.05O.10O.150.2O0.25 下reI3l 图5相对谱延迟与光子峰值计数率对应的时间f的关系图6相对谱延迟与半宽 FWHM的关系 图7相对谱延迟与峰值流量的关系 图9相对谱延迟与能谱延迟r,的关系 Lee等人曾指出GRB的峰值流量通常可以视 为有效的距离指示器,和rI31线性相关,这也 就暗示了.也应该是一个理想的距离标尺. 表3相对谱延迟与脉冲参数的线性相关分析结果 3.3RSL与红移的关系 为了检验RSL与红移的相关程度,用线性模 图8相对谱延迟与峰值能量的关系 型拟合如图10,得到以下关系 logZ=(1.08?0.52)一(11.17?5.36)rre1.3I (6) 其中相关系数为一0.44786(P=0.1943),说 明RSL和红移的相关程度极高,这就意味这RSL 的确可以作为一个很好的距离(红移)指示器.由 上式可知,如果相对谱延迟RSL精确测定了,就可 以相对精确的估计每一个暴的红移,对于假定的宇 宙学参数,还可以估算GRB的宇宙学距离. 图1O相对谱延迟与红移Z的关系 4结论与讨论 通过以上的分析,发现(1)相对谱延迟RSL是 以r=0.07703为中心正态分布的,(2)相对谱 延迟RSL与E,F.,t,F删存在弱的反相关, 与Asymmetry,,存在强的正相关,(3)相对谱延 ? 34?贵州大学(自然科学版)第29卷 迟RSL与红移z存在较好的线性相关,这说明 SWIFT暴的RSL也是一个很好的红移指示器.上 述结论与Zhang等人(2006)利用BASTE数据得到 的结论吻合得很好. 在内激波模型框架下,GRB光变曲线上的多 脉冲结构常被解释为中心发动机抛射的多壳层相 互作用的结果"J,单个脉冲可以理解为仅有两 个壳层发生碰撞而产生,选取单个脉冲不仅使分析 过程简化,而且能够避免邻近脉冲重叠带来的额外 误差,单个脉冲同样也反映了GRB的具体物理过 程和,另外,在研究RSL的性质时,选取的是 宽的单脉冲暴,这是由于宽的脉冲具有大的时延不 但便于精确测量,而且它们还可能具有相同的物理 爆发机制t8].需要指出的是,本工作中采用的样 本仅由10个单脉冲GRB构成,要想得到更加精确 的红移指示器,需要用更大的样本进行精确校准, 相对谱延迟作为伽玛暴距离指示器对短暴也具有 适用的可能性?,但还需利用更大的具有红移的 短暴样本进行深入研究. 参考文献: [1]AmatiL,FrnnteraF,TavaniM,eta1.Intrinsicspectraandenerget— icsofBeppoSAXGamma—RayBurstswithknownredshifts[J]. 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ADistanceIndicatorofSwiftGammaRayBursts zHANGYi—zhen,ZHANGZhi—bin (NAOC— GZUJointAstronomyResearchCenter/DepartmentofPhysicsCollegeofScience,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China) Abstract:Relativespectrallag(RSL)andredshifthaveagoodcorrelationforthesinglelonggamma—raybursts ofbastedata(Zhangeta1.2006).Thispaperchooses10singlelongr.raybursts(r90>2.6s)oftheswiftsatel— litedataasasample,denosingandsubtractingbackgroundforthesample,analyzingthedateof1,3energy bandsusingcross-correlationtechnique,makingpicturetoanalysisthecorrelationbetweenthef. 3landlight— curveparameters(Asymmetry,F,t,F埘,,Ep,丁 31).ourdiscoveryisthatredshift(Z)arestronglycorrela— tedwiththeRSL,whichprovesRSLcanbeaverygoodredshiftindicator. Keywords:Gammaraybursts;cosmology;spectrallag