[論文レビュー] A Surprising Lack of LGRB Metallicity Evolution with Redshift

J. F. Graham, P. Schady+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本研究は赤方偏移 z = 2.5 までにわたる長期間継続ガンマ線バースト（LGRB）の母銀河を分析し、金属量分布に顕著な進化は認められず、全赤方偏移範囲で約25%の母銀河が高い金属量（12+log(O/H) > 8.4）を維持していることを発見した。この結果は、通常の銀河における質量-金属量関係の進化と予想されるものと矛盾しており、LGRBの母銀河が標準的なスケーリング関係よりも系として金属量が豊富であることを示唆し、金属量カットオフ推定値に関する以前の不一致を解消する。

ABSTRACT

Recent additions to the population of Long-duration Gamma Ray Burst (LGRB) host galaxies with measured metallicities and host masses allow us to investigate how the distributions of both these properties change with redshift. We form a sample out to z of 2.5 which we show does not have strong redshift dependent populations biases in mass and metallicity measurements. Using this sample, we find a surprising lack of evolution in the LGRB metallicity distribution across different redshifts and in particular the fraction of LGRB hosts with relatively high-metallicity, that is those with 12+log(O/H) > 8.4, remains essentially constant out to z = 2.5. This result is at odds with the evolution in the mass metallicity relation of typical galaxies, which become progressively more metal poor with increasing redshift. By converting the measured LGRB host masses and redshifts to expected metallicities using redshift appropriate mass-metallicity relations, we further find that the increase in LGRB host galaxy mass distribution with redshift seen in the Perley et al. (2016) SHOALS sample is consistent with that needed to preserve a non-evolving LGRB metallicity distribution. However, the estimated LGRB host metallicity distribution is at least a quarter dex higher at all redshifts than the measured metallicity distribution. This corresponds to about a factor of two in raw metallicity and resolves much of the difference between the LGRB host metallicity cutoffs determined by Graham & Fruchter (2017) and Perley et al. (2016). As LGRB hosts do not follow the general mass metallicity relations, there is no substitute for actually measuring their metallicities.

研究の動機と目的

• 赤方偏移 z = 2.5 までにわたる長期間継続ガンマ線バースト（LGRB）の母銀河の金属量分布が、赤方偏移とともに進化するかどうかを調査すること。
• 質量および金属量測定における選択バイアスが、LGRB母銀河サンプルの信頼性に影響を及えるかどうかを評価すること。
• 異なる赤方偏移における、観測されたLGRB母銀河の金属量を、標準的な銀河の質量-金属量関係からの予測値と比較すること。
• 以前の研究（Graham & Fruchter 2017; Perley et al. 2016）で報告されたLGRB母銀河の金属量カットオフに関する不一致を解消すること。

提案手法

• 赤方偏移 z = 2.5 までにわたる、金属量および母銀河質量が測定されたLGRB母銀河のサンプルを構築し、質量および金属量測定に赤方偏移依存のバイアスが最小限に抑えられるようにした。
• 赤方偏移に応じた質量-金属量関係を用いて、測定された質量および赤方偏移に基づき、LGRB母銀河の予想される金属量を予測した。
• 観測されたLGRB母銀河の金属量分布を、質量-金属量関係からの予測値および通常の銀河における観測分布と比較した。
• 観測されたLGRB母銀河の金属量と予測値との間のオフセットを定量化し、全赤方偏移範囲で一貫して約0.25 dex高い金属量であることが判明した。
• Perley et al. (2016) の SHOALS サンプルにおける観測された質量の進化が、金属量分布の変化のない状態と整合するかどうかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移 z = 2.5 までにわたるLGRB母銀河の金属量分布は、赤方偏移とともに進化するか？
• RQ2 異なる赤方偏移における、観測されたLGRB母銀河の金属量は、標準的な銀河の質量-金属量関係からの予測値とどのように比較されるか？
• RQ3 なぜ以前の研究ではLGRB母銀河の金属量カットオフについて矛盾した報告がなされたのか？
• RQ4 観測されたLGRB母銀河の質量が赤方偏移とともに増加していることは、金属量の進化がないことの説明に十分か？
• RQ5 LGRB母銀河は、通常の銀河における一般的な質量-金属量関係からどの程度逸脱しているか？

主な発見

• 赤方偏移 z = 0 から z = 2.5 の間、高い金属量（12+log(O/H) > 8.4）を持つLGRB母銀河の割合は約25%でほぼ一定であり、金属量の顕著な進化がないことが示された。
• 観測されたLGRB母銀河の金属量分布は、各赤方偏移で標準的な質量-金属量関係から予測される値よりも少なくとも0.25 dex（原始的金属量で約2倍）高い一貫した値を示している。
• Perley et al. (2016) の SHOALS サンプルで報告されたLGRB母銀河の質量の増加は、赤方偏移に応じた質量-金属量関係と組み合わせることで、金属量分布の変化のない状態を説明するのに十分である。
• 観測値と予測値との間のオフセットは、Graham & Fruchter (2017) と Perley et al. (2016) が報告したLGRB母銀河の金属量カットオフ推定値の不一致の多くを解消する。
• LGRB母銀河は、通常の銀河で観測される一般的な質量-金属量関係に従わないため、正確な特徴付けには直接的な金属量測定が不可欠である。
• LGRB母銀河の金属量分布に進化がないのは、質量または金属量測定における選択バイアスによるものではなく、サンプルに顕著な赤方偏移依存バイアスが見られないことから、その理由が説明できる。