[論文レビュー] Afterglow spectrum of a gamma-ray burst with the highest known redshift z=6.295

N. Kawai, George Kosugi+26 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、ガンマ線バーストの後光において、最初にスペクトロスコピックにガン・ペトソン谷を検出するものであり、赤方偏移 z = 6.295 を確認した。これは、ガンマ線バーストで知られている最高の赤方偏移である。吸収線特徴および金属量の測定から、前身星の周囲に密度が高く金属で豊富な環境が存在することが明らかとなり、初期銀河形成および z > 6 の銀河間媒体に関する直接的な知見が得られた。

ABSTRACT

Gamma-ray bursts (GRBs) and their afterglows have been proposed as an excellent probe to study the evolution of cosmic star formation, the reionization of the intergalactic medium, and the metal enrichment history of the universe, since the prompt gamma-ray emission of GRBs should be detectable out to distances z>10. Hitherto, the highest measured redshift for a GRB has been z=4.50. Here we report the optical spectrum of the afterglow of GRB 050904 obtained 3.4 days after the burst. The spectrum shows a clear continuum at the long wavelength end of the spectrum with a sharp cutoff at around 9000 A due to Ly alpha absorption at a redshift of 6.3 with a damping wing. Little flux is present in the waveband shortward of the Ly alpha break. A system of absorption lines of heavy elements at redshift z=6.295 +- 0.002 were also detected, yielding a precise measurement of the largest known redshift of a GRB. Analysis of the Si II fine structure lines suggest a dense metal-enriched environment around the GRB progenitor, providing unique information on the properties of the gas in a galaxy when the universe was younger than one billion years.

研究の動機と目的

• ガンマ線バーストの後光の赤方偏移を、知られている最高の赤方偏移で測定し、宇宙の再イオン化および初期銀河形成を研究すること。
• ガンマ線バーストの後光においてガン・ペトソン谷を検出し、z > 6 における銀河間媒体の中性水素の存在を示すこと。
• 微細構造線を用いて、ガンマ線バースト前身星周囲の吸収ガスの金属量および物理的状態を特定すること。
• 宇宙の夜明けにおけるガンマ線バーストが金属で豊富な環境に存在するかどうかを評価し、最初の星の形成を制約すること。
• ガンマ線バーストの後光吸収と高赤方偏移クェーサーのスペクトルを比較し、イオン化環境および金属量制約における差異を評価すること。

提案手法

• 8.2m のスミステレスコープに搭載された Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) を用いて、GRB 050904 後光の深さのあるグリズムスペクトルを取得した。
• 約 9000 Å 付近に明確なスペクトルカットオフを観測し、z ≈ 6.3 における Lyα 吸収を示し、高い中性水素吸収量密度と整合するダミング・ウェインドを確認した。
• Si II、S II、O I、C II の吸収線を用いて、赤方偏移 z = 6.295 ± 0.002 を測定し、宿主銀河の赤方偏移を確認した。
• Si II の微細構造線（λ1264.7 および λ1260.4）の等価幅比を用いて、電子密度（log ne ≈ 2.3 ± 0.7 cm⁻³）および物理的深さ（0.4 pc）を推定した。
• Lyα のダミング・ウェインドを、log N_HI ≈ 21.3 cm⁻² と仮定した DLA モデルでフィッティングし、中性水素吸収量密度を制約した。
• 標準的な太陽系の元素組成と導出された吸収量密度を用いて金属量を計算し、[C/H] = -2.4、[O/H] = -2.3、[Si/H] = -2.6、[S/H] = -1.0 を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 050904 の後光の赤方偏移は何か？ これは、ガンマ線バーストで知られている最高の赤方偏移を表しているか？
• RQ2 約 9000 Å 付近の観測されたスペクトルカットオフは、z > 6 における銀河間媒体の水素が中性状態であるガン・ペトソン谷の存在を示しているか？
• RQ3 ガンマ線バースト前身星周囲の吸収ガスの物理的状態（電子密度、金属量、深さ）は何か？
• RQ4 z > 6 におけるガンマ線バーストは金属で豊富な環境に位置しているか？ これは最初の星の形成にどのような意味を持つのか？
• RQ5 高赤方偏移の銀河間媒体のプローブとして、ガンマ線バーストの後光は高赤方偏移クェーサーと比較して、より明確な情報を与えることができるか？

主な発見

• GRB 050904 の後光の赤方偏移は z = 6.295 ± 0.002 と測定され、これはガンマ線バーストで知られている最高の赤方偏移を確立した。
• 明確なガン・ペトソン谷が検出され、Lyα の赤方偏移側にダミング・ウェインドが観測され、中性水素吸収量密度が log N_HI ≈ 21.3 cm⁻² であると示された。
• Si II、S II、O I、C II の金属吸収線が z = 6.295 で確認され、宿主銀河の赤方偏移を裏付け、[Si/H] = -2.6 および [S/H] = -1.0 の金属で豊富な環境であることが明らかになった。
• 吸収ガスの電子密度は log ne ≈ 2.3 ± 0.7 cm⁻³ と制約され、物理的深さは 0.4 pc であり、密度が高く局所的な吸収シェルであることを示唆した。
• 微細構造線および吸収量密度は、希薄な銀河間媒体の吸収体ではなく、金属で豊富な周囲星間物質シェルまたは風によって駆動されたネビュラと整合的であった。
• ガンマ線バーストの後光において DLA に類似したダミング・ウェインドおよび金属線の検出は、z > 6 における中性水素および金属量の最初の直接的プローブを提供し、再イオン化および初期星形成に及ぼす影響を示した。