[論文レビュー] Are LGRBs biased tracers of star formation? Clues from the host galaxies of the Swift/BAT6 complete sample of bright LGRBs. II: star formation rates and metallicities at z < 1

J. Japelj, S. D. Vergani+22 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 108被引用数 36

ひとこと要約

本研究では、Swift/BAT6完全サンプルに属する z < 1 の14個の明るい長期間ガンマ線バースト（LGRB）の宿主銀河を分析し、星形成のトレーサーとしての適性を評価する。中性ガス線を用いて、チリの減光、星形成率（SFR）、金属量を測定したところ、LGRBの宿主銀河は、高金属量を強く避け、低金属量・低質量銀河に偏っていることが判明した。これは、星形成トレーサーからの期待値よりも平均的なSFRが低いことにつながる。

ABSTRACT

Long gamma-ray bursts (LGRBs) are associated with the deaths of massive stars and could thus be a potentially powerful tool to trace cosmic star formation. However, especially at low redshifts (z < 1.5) LGRBs seem to prefer particular types of environment. Our aim is to study the host galaxies of a complete sample of bright LGRBs to investigate the impact of the environment on GRB formation. We study host galaxy spectra of the Swift/BAT6 complete sample of 14 z < 1 bright LGRBs. We use the detected nebular emission lines to measure the dust extinction, star formation rate (SFR) and nebular metallicity (Z) of the hosts and supplement the data set with previously measured stellar masses M$_{\star}$. The distributions of the obtained properties and their interrelations (e.g. mass-metallicity and SFR-M$_{\star}$ relations) are compared to samples of field star-forming galaxies.We find that LGRB hosts at z < 1 have on average lower SFRs than if they were direct star-formation tracers. By directly comparing metallicity distributions of LGRB hosts and star-forming galaxies, we find a good match between the two populations up to Z $\sim 8.4-8.5$, after which the paucity of metal-rich LGRB hosts becomes apparent. The LGRB host galaxies of our complete sample are not inconsistent with the mass-metallicity relation at similar mean redshift and stellar masses. The cutoff against high metallicities (and high masses) can explain the low SFR values of LGRB hosts. We find a hint of increased incidence of starburst galaxies in the Swift/BAT6 z < 1 sample with respect to that of a field star-forming population. Given that the SFRs are low on average, the latter is ascribed to low stellar masses. Nevertheless the limits on the completeness and metallicity availability of current surveys, coupled with the limited number of LGRB host galaxies, prevent us from reaching more quantitative conclusions.

研究の動機と目的

• z < 1 の長期間ガンマ線バースト（LGRB）の宿主銀河が、宇宙の星形成を偏りなくトレースしているかどうかを明らかにすること。
• 宿主銀河の性質、特に金属量、星形成質量、SFR が LGRB 発生効率に与える影響を調査すること。
• LGRB 宿主銀河とフィールド星形成銀河の間で、SFR、金属量、星形成質量の分布を比較すること。
• 環境的バイアスを考慮した上で、LGRB 宿主銀河の観測されたSFRが、星形成駆動の起源と整合的かどうかを評価すること。

提案手法

• Swift/BAT6完全サンプルに属する14個の z < 1 のLGRBの宿主銀河における中性ガス線（例：Hα、[O II]、[O III]）の分光解析。
• 発光線の比率を用いて、チリの減光、星形成率（SFR）、および中性ガス金属量（12 + log(O/H)）を導出する。
• 既存の研究（Paper I、Vergani et al. 2015）から得た星形成質量（M‹）を補足し、質量-金属量関係およびSFR-星形成質量関係との比較を可能にする。
• 深さの高い調査（例：VVDS、VIMOS VLT Deep Survey）から得たフィールド星形成銀河の性質と比較することで、バイアスの有無を評価する。
• 金属量分布とSFR、星形成質量との関係を統計的に分析し、質量-金属量関係およびSFR-質量関係からの逸脱の有無を検証する。
• 高エネルギーGRB特性（Eγ,iso、Lγ,iso、Eγ,peak）と宿主金属量との相関関係を調査し、サンプル選択バイアスの有無を除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z < 1 のLGRB宿主銀河は、SFRおよび金属量の観点から、一般の星形成銀河集団を代表していると言えるか？
• RQ2 LGRB宿主銀河で観測されたSFRは、真の星形成率を反映しているのか、それとも環境的バイアスによって抑制されているのか？
• RQ3 LGRB宿主銀河は、フィールド銀河で観測された質量-金属量関係およびSFR-星形成質量関係からどの程度逸脱しているか？
• RQ4 LGRB宿主銀河が低金属量環境を好む傾向が、その低い平均SFRの原因であると言えるか？
• RQ5 LGRB宿主銀河に、フィールド集団と比較して星形成バースト銀河（高比SFR）の頻度が高まっている証拠があるか？もしあるならば、金属量バイアスを補正した後でも、SFR駆動モデルと整合的か？

主な発見

• z < 1 のLGRB宿主銀河は、星形成トレーサーとして直接的な対応が期待されるよりも平均的な星形成率（SFR）が低く、高SFR環境へのバイアスが示唆される。
• LGRB宿主銀河の金属量分布には、金属量の高い銀河（12 + log(O/H) > 8.4–8.5）が著しく不足しており、この閾値を超えると急激に減少する。
• 同赤方偏移および星形成質量の範囲において、LGRB宿主銀河は質量-金属量関係と整合的であるため、金属量バイアスがその観測特性の主因であると考えられる。
• LGRB宿主銀河の低SFRは、高金属量および高質量銀河への強い嫌悪の結果であると考えられ、内部的なSFR抑制とは異なる。
• LGRB宿主銀河に、フィールド集団と比較して星形成バースト銀河（高比SFR）の頻度がわずかに高い傾向が見られるが、これは低質量・低金属量系の選択バイアスによるものであり、真の増加とは言えない。
• 高エネルギーGRB特性（Eγ,iso、Lγ,iso、Eγ,peak）と宿主金属量との間に有意な相関は認められず、サンプル選択が明るさやエネルギーに偏っていないことが示唆される。