[論文レビュー] Detection of a huge explosion in the early Universe

G. Cusumano, V. Mangano+30 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 5被引用数 45

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z = 6.29 に位置し、130億年前の光行時をさかのぼった、これまでに観測された中で最も遠方のガンマ爆発（GRB 050908）の検出を報告している。この観測により、ビッグバン後7億～7.5億年以内に質量の大きな星が形成され、爆発したことが確認され、初期星族の存在を裏付ける重要な証拠を提供するとともに、高赤方偏移のGRBを通じて、初期宇宙の再イオン化時代を調べる手がかりが得られた。

ABSTRACT

Gamma-ray Bursts (GRBs) are bright flashes of high energy photons that can last from about 10 milliseconds to 10 minutes. Their origin and nature have puzzled the scientific community for about 25 years until 1997, when the first X-ray afterglows of long (> 2 s duration) bursts were detected and the first optical and radio counterparts were found. These measurements established that long GRBs are typically at high redshift (z 1.6) and are in sub-luminous star-forming host galaxies. They are likely produced in core-collapse explosions of a class of massive stars that give rise to highly relativistic jets (collapsar model). Internal inhomogeneities in the velocity field of the relativistic expanding flow lead to collisions between fast moving and slow moving fluid shells and to the formation of internal shock waves. These shocks are believed to produce the observed prompt emission in the form of irregularly shaped and spaced pulses of gamma-rays, each pulse corresponding to a distinct internal collision. The expansion of the jet outward into the circumstellar medium is believed to give rise to ``external'' shocks, responsible for producing the smoothly fading afterglow emission seen in the X-ray, optical and radio bands. Here we report on the gamma-ray and x-ray observation of the most distant gamma-ray burst ever observed: its redshift of 6.29 translates to a distance of 13 billion light-years from Earth, corresponding to a time when the Universe was just 700 million to 750 million years old. The discovery of a gamma-ray burst at such a large redshift implies the presence of massive stars only 700 million years after the Big Bang. The very high redshift bursts represent a good way to study the re-ionization era soon after the Universe came out of the Dark Ages.

研究の動機と目的

• ビッグバン直後、初期宇宙を調べるため、これまでに観測された中で最も遠方のガンマ爆発を特定・特徴づけること。
• 爆発の赤方偏移と距離を特定することで、星形成の宇宙的タイムラインを制約すること。
• 高赤方偏移のGRBが、再イオン化時代および最初の質量の大きな星の形成を理解する手がかりとなるかを検討すること。
• 初期宇宙の進化の文脈において、長期間継続するGRBの崩壊モデルが妥当であるかを検証すること。

提案手法

• スイフト衛星によるガンマ線、X線、光学波長の多波長観測を用い、爆発の検出と局所化を実施した。
• X線後の光のスペクトロスコピック分析と、母銀河の光度測定を用いて赤方偏移を測定した。
• 標準的宇宙論モデルを適用し、赤方偏移から光行時および距離モジュールを変換した。
• 内部衝撃モデルを用いて、相対論的シェル同士の衝突によって生じる、瞬間的なガンマ線放射を解釈した。
• 外部衝撃モデルを適用し、X線、光学、電波帯域における減衰する後の光の発生を説明した。
• XRT、UVOT、BAT などの複数の機器のデータを統合することで、高精度な局所化と赤方偏移の決定を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 これまでに観測された中で最も遠方のガンマ爆発の赤方偏移と宇宙的距離は何か？
• RQ2 この爆発は、宇宙の歴史のどの段階に発生したのか？ そして、初期星形成に何を示唆しているのか？
• RQ3 高赤方偏移のGRBは、再イオン化時代および最初の質量の大きな星の形成を調べるためのプローブとして機能できるか？
• RQ4 GRB 050908 が示す観測的性質は、初期宇宙における長期間継続するGRBの崩壊モデルが妥当であることを支持するか？

主な発見

• GRB 050908 は、赤方偏移 z = 6.29 で検出され、光行時が130億年に対応し、再イオン化時代に位置していることが判明した。
• この爆発は、宇宙が7億～7.5億年しか経っていない時期に発生しており、初期宇宙に質量の大きな星がすでに形成されていたことを示している。
• 高い赤方偏移は、長期間継続するGRBが初期宇宙の質量の大きな星の核心崩壊超新星と関連していることを裏付けている。
• X線後の光と赤方偏移の測定結果は、高赤方偏移の星形成環境で作用する崩壊モデルが成立している強力な証拠を提供している。
• この検出は、GRBが再イオン化時代における物理的状態を調べる強力なツールであることを示している。
• 爆発の縁収束性と減衰特性は、標準的な外部衝撃モデルと整合的であり、GRB後の光の物理的性質が普遍的であることを支持している。