兩類伽馬射線暴的能譜硬度與持續(xù)時間的相關(guān)性檢驗

潘彩娟，林櫻如，陸偉堅，楊 婕

(百色學(xué)院， 廣西 百色 533000)

50年前，伽馬射線暴由Vela衛(wèi)星(Vela Satellite Network)首次探測到[1]。伽馬射線暴的持續(xù)時間短至千分之一秒，長則數(shù)小時，在短時間內(nèi)釋放巨大的能量，是目前所發(fā)現(xiàn)的宇宙中最劇烈的爆發(fā)形式[2]。經(jīng)歷半個世紀(jì)的研究，伽馬射線暴的本質(zhì)仍然不很清楚，但研究人員還在繼續(xù)努力探索[3-4]。

T90是伽馬射線暴重要的參數(shù)之一，是指伽馬射線光子流量占總流量5%到95%之間的持續(xù)時間。20世紀(jì)90年代，根據(jù)大樣本的伽馬射線暴數(shù)據(jù)，人們發(fā)現(xiàn)T90的分布呈雙峰結(jié)構(gòu)，并據(jù)此把伽馬射線暴分為長暴和短暴兩種類型，它們的分界線在2 s左右的位置，前者的峰值在30 s左右，后者的峰值在0.3 s左右[5-9]。通常認(rèn)為長暴和短暴具有不同起源，長暴起源于大質(zhì)量恒星的塌縮[10-14]，而短暴起源于雙致密星并合[15-16]。

探討伽馬射線暴各個物理參數(shù)之間的相關(guān)性是研究伽馬射線暴的重要手段。1999年，文[17]利用BATSE(Burst and Transient Source Experiment)觀測到大量脈沖，證明伽馬射線暴的能譜硬度與持續(xù)時間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但沒有排除該相關(guān)性是否由于長暴與短暴兩個樣本本身的差別導(dǎo)致，換言之，沒有驗證對于長暴和短暴，該相關(guān)性是否仍然存在。為了驗證這個假設(shè)，2000年，文[18]把篩選自4B星表(the Fourth BATSE burst catalog[9])的1 179 個伽馬射線暴根據(jù)T90是否大于2 s分為長暴和短暴兩個子樣本，然后分別分析兩個子樣本的能譜硬度與持續(xù)時間的相關(guān)性，結(jié)果顯示，對于長暴子樣本和短暴子樣本，能譜硬度與持續(xù)時間均不存在相關(guān)性(rlong=0.002,Nlong=304;rshort=-0.050,Nshort=875)；總樣本的能譜硬度與持續(xù)時間存在明顯的相關(guān)性(rtotal=-0.391,Ntotal=1 179)。由此證明伽馬射線暴的能譜硬度與持續(xù)時間之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系是由長暴和短暴這兩類伽馬射線暴的區(qū)別導(dǎo)致。

近20年來，伽馬射線暴的樣本體量不斷擴充，本文利用文[19]整理的最新伽馬射線暴星表數(shù)據(jù)，再次驗證長暴和短暴的能譜硬度與持續(xù)時間是否存在相關(guān)性。該研究結(jié)果可以為伽馬射線暴的能譜硬度與持續(xù)時間之間是否存在相關(guān)性提供更加可靠的統(tǒng)計結(jié)果。

1 樣本來源與篩選

本文使用的伽馬射線暴數(shù)據(jù)來自文[19]根據(jù)以往的文獻(xiàn)整理的包含6 289個伽馬射線暴的樣本(從 GRB 910421到GRB 160509A)。該樣本中伽馬射線暴的觀測時間從1991年8月21日到2016年5月9日。樣本中的數(shù)據(jù)大部分收集自GCN(Gamma-ray Coordinates Network)網(wǎng)站、已發(fā)表的文章和BATSE(Burst And Transient Source Experiment)官網(wǎng)[19]。

文[19]整理的樣本包含6 289個伽馬射線暴的紅移、光度距離、T90等共46個參數(shù)。本文需要的參數(shù)是伽馬射線暴的能譜硬度和持續(xù)時間。因此，我們對6 289個伽馬射線暴樣本進(jìn)行篩選，去除持續(xù)時間或能譜硬度為空值的數(shù)據(jù)，余下3 589個伽馬射線暴組成本文的總樣本。這3 589個伽馬射線暴大部分來自Swift, Fermi和康普頓衛(wèi)星(Compton Gamma Ray Observatory, CGRO)的觀測結(jié)果。CGRO即搭載BATSE探測器的衛(wèi)星，其伽馬暴數(shù)據(jù)公布于BATSE官網(wǎng)。

根據(jù)持續(xù)時間T90是否大于2 s，我們把總樣本分為長暴子樣本和短暴子樣本，其中長暴子樣本包含2 913個伽馬射線暴，短暴子樣本包含676個伽馬射線暴，短暴的樣本數(shù)據(jù)相對較少，短暴與長暴樣本數(shù)量之比約為1∶4。

我們對伽馬射線暴的能譜硬度和持續(xù)時間分別取對數(shù)，其中能譜硬度為100～2 000 keV能段與20～100 keV能段的伽馬射線暴通量的比值，持續(xù)時間采用T90，伽馬射線暴的能譜硬度與持續(xù)時間的對數(shù)圖如圖1。圖1中的橫坐標(biāo)為伽馬射線暴的持續(xù)時間T90(單位為s)的對數(shù)值，縱坐標(biāo)為伽馬射線暴能譜硬度的對數(shù)值；藍(lán)色垂直虛線為T90=2 s，左邊是短暴數(shù)據(jù)點，右邊是長暴數(shù)據(jù)點。

圖1 3 589個伽馬射線暴的能譜硬度與持續(xù)時間的統(tǒng)計分布Fig.1 The statistical distribution of the duration and hardness ratio of the 3 589 gamma-ray bursts

2 數(shù)據(jù)分布和相關(guān)性分析

3 589個伽馬射線暴的能譜硬度與持續(xù)時間的數(shù)據(jù)分布如圖1，圖1中藍(lán)色垂直虛線(T90=2 s)左邊是676個短暴的數(shù)據(jù)點，右邊是2 913個長暴的數(shù)據(jù)點。圖2是兩個子樣本的能譜硬度與持續(xù)時間的數(shù)據(jù)分布圖，其中(a)是676個短暴的數(shù)據(jù)點，(b)是2 913個長暴的數(shù)據(jù)點。從logHR的值來看，短暴能譜硬度的中值約為1.03，平均值為1.01；長暴能譜硬度的中值約為0.43，平均值為0.44，說明短暴能譜的平均硬度比長暴大。

圖2 伽馬射線暴兩個子樣本的能譜硬度與持續(xù)時間的統(tǒng)計分布Fig.2 The statistical distribution of the duration and hardness ratio of gamma-ray bursts in two sub-samples

能譜硬度和持續(xù)時間的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，3 589個伽馬射線暴總樣本的rtotal=-0.284,ptotal<0.001；676個短暴子樣本的rshort=-0.073,pshort=0.058；2 913個長暴子樣本rlong=-0.016,plong=0.380。

3 結(jié)果與討論

通過相關(guān)性分析，總樣本的能譜硬度和持續(xù)時間存在相關(guān)性(rtotal=-0.284,p<0.001)，對于長暴子樣本和短暴子樣本，能譜硬度和持續(xù)時間并不存在相關(guān)性(plong=0.380,pshort=0.058)。由此推論總樣本的能譜硬度和持續(xù)時間存在相關(guān)性是由于長暴和短暴兩個樣本的性質(zhì)不同導(dǎo)致的。這個研究結(jié)果與文[18]的結(jié)論一致。

在本文的總樣本中，短暴能譜硬度的中值約為1.03，平均值為1.01；長暴能譜硬度的中值約為0.43，平均值為0.44(以上4個值均為logHR值)。短暴的能譜平均硬度比長暴的大，相當(dāng)于前者高能光子與低能光子的比值更大。造成短暴的能譜比長暴的能譜偏硬的原因是什么，目前還沒有定論。通常認(rèn)為長暴起源于大質(zhì)量恒星塌縮[10-14]，而短暴起源于雙致密星并合[15-16]。由此可見，起源于致密雙星并合的伽馬射線暴能譜比起源于大質(zhì)量恒星塌縮的伽馬射線暴更硬。

伽馬射線暴能譜硬度和持續(xù)時間的數(shù)據(jù)分布圖，以及短暴子樣本和長暴子樣的能譜硬度和持續(xù)時間不存在顯著的相關(guān)性，揭示了伽馬射線暴存在長暴和短暴這兩種類型，證明了這種分類方法的合理性，也暗示著長暴和短暴性質(zhì)的差異，支持這兩種伽馬射線暴具有不同起源的觀點。

文[18]采用的總樣本只包含1 179個伽馬射線暴，其中304個短暴子樣本，875個長暴子樣本；本文的伽馬射線暴總樣本為3 589個，其中676個短暴子樣本，2 913個長暴子樣本，總樣本和長暴的樣本量是文[18]的3倍多，因此，本文得到的統(tǒng)計結(jié)果更為可靠。