[論文レビュー] A Surprising Lack of Metallicity Evolution with Redshift in the Long Gamma-Ray Burst Host Galaxy Population

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、赤方偏移が z=2.5 に達するまでに、100個以上の銀河を含むサンプルを用いて、長期間ガンマ線バースト（LGRB）の母銀河の金属量の進化を分析する。予想に反して、金属量分布に顕著な進化は認められず、特に高金属量（12+log(O/H) ≥ 8.4）を持つ銀河の割合が一定のままであることが判明し、LGRB母銀河が高赤方偏移で金属量が低減するという仮定に反する。

ABSTRACT

The number of long-duration Gamma Ray Burst (LGRB) host galaxies with measured metallicities and host masses has now grown to over one hundred, allowing us to investigate how the distributions of both these properties change with redshift. Using the combined host galaxy metallicity sample from Graham & Fruchter (2013) and Krühler et al. (2015), we find a surprising lack of evolution in the LGRB metallicity distribution across different redshifts. In particular, the fraction of LGRB hosts with relatively high metallicity (12+log(O/H) $\geq$ 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. A similar result is found when converting the LGRB host galaxy mass distribution taken from the SHOALS (Swift GRB Host Galaxy Legacy Survey) sample to a corresponding metallicity distribution by applying a redshift-dependent mass-metallicity relation. The SHOALS sample is compiled using an unbiased selection function implying that the observed lack of evolution in the host galaxy high metallicity distribution is not caused by selection effects. However, the LGRB host galaxy metallicities estimated from the stellar mass are typically a quarter dex higher at all redshifts than the metallicity we measure spectroscopically. This implies that using mass-metallicity relationships to estimate host metallicities will thus produce a substantial systematic bias.

研究の動機と目的

• 長期間ガンマ線バースト（LGRB）母銀河の金属量分布が宇宙の赤方偏移とともに進化するかどうかを調査すること。
• 母銀河サンプリングにおける選択バイアスや誤差が、観測された金属量傾向を説明できるかどうかを検証すること。
• スペクトロスコピックに測定された金属量と、質量-金属量関係（MZR）を用いて推定された金属量を比較すること。
• 宇宙論的研究においてLGRB母銀河の金属量推定値としての質量ベース推定の信頼性を評価すること。

提案手法

• 赤方偏移が z=2.5 に達するまでのLGRB母銀河の組み合わせスペクトロスコピック金属量（Graham & Fruchter, 2013; Krühler et al., 2015）。
• 一貫性を確保し、特に線幅が不完全な対象のカバー範囲を拡大するために、KK04およびCCM+17金属量診断法を適用。
• 赤方偏移チャンク（Δz=0.5）ごとの累積金属量分布を比較し、進化の有無を検出するためにコルモゴロフ・スミルノフ（K-S）検定を実施。
• SHOALS調査のスターリングマス分布を、Zahidら（2013）の赤方偏移依存の質量-金属量関係を用いて金属量推定値に変換。
• 測定金属量と質量由来推定値との間の統計的比較を行い、系統的オフセットを定量化。
• 完全なラインカバレッジを持つ対象のみを含むサブサンプルと、部分ライン診断を用いて拡張したサンプルを分析し、手法感受性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙化学進化の予想に従い、LGRB母銀河の金属量分布は赤方偏移の増加とともに進化するのか？
• RQ2 観測された高金属量LGRB母銀河（12+log(O/H) ≥ 8.4）の割合は、宇宙時間にわたって一定であるのか、それとも選択バイアスに起因するのか？
• RQ3 LGRB母銀河において、スターリングマスから推定された金属量とスペクトロスコピックに測定された金属量は、どのように比較されるか？
• RQ4 LGRB母銀河に質量-金属量関係を適用する際に、どの程度の系統的バイアスが生じるのか？

主な発見

• z=0からz=2.5にかけて、高金属量（12+log(O/H) ≥ 8.4）を持つLGRB母銀河の割合は約20％で一定であり、顕著な進化は認められない。
• すべての赤方偏移チャンク比較において、K-S検定のp値が0.3より大きいことから、金属量分布は統計的に赤方偏移にかかわらず同一であると示唆される。
• 質量由来の金属量推定値は、スペクトロスコピック測定値よりも平均で0.23 dex高く、中央値オフセットは0.30 dexである。
• 推定値と測定値の差の標準偏差は0.46 dexであり、散らばりが大きく、補正の信頼性が低いことを示している。
• 対数でない（非対数）単位では、測定値と推定値の中央値比が0.496であるため、質量由来推定値が真の金属量を過大評価していることが確認される。
• 不完全なラインカバレッジを持つ対象を含むCCM+17診断法を用いても、赤方偏移進化の欠如は維持され、手法のばらつきに対して頑健であることが確認された。