[論文レビュー] Gas inflow and outflow in an interacting high-redshift galaxy: The remarkable host environment of GRB 080810 at $z=3.35$

P. Wiseman, D. A. Perley+6 more|Max Planck Digital Library|May 3, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 123被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、GRB 080810の後発光を用いた高分解能Keck/HIRES分光測定を通じて、z ≈ 3.35の複雑で相互作用する高赤方偏移銀河系が特定され、低中性水素密度（log NH I ≤ 18.35 cm⁻²）、金属豊富な吹き出し（−200 km s⁻¹）、および金属貧困な流入の可能性があるガス成分が検出された。これは、高赤方偏移における星形成銀河におけるガスの流入と吹き出しを、これまでで最も明確に捉えた例の一つである。

ABSTRACT

We reveal multiple components of an interacting galaxy system at $z\approx3.35$ through a detailed analysis of the exquisite high-resolution Keck/HIRES spectrum of the afterglow of a gamma-ray burst (GRB). Through Voigt-profile fitting of absorption lines from the Lyman-series, we constrain the neutral hydrogen column density to $N_{\mathrm{HI}} \leq 10^{18.35}$ cm$^{-2}$ for the densest of four distinct systems at the host redshift of GRB~080810, among the lowest $N_{\mathrm{HI}}$ ever observed in a GRB host, despite the line of sight passing within a projected 5 kpc of the galaxy centres. By detailed analysis of the corresponding metal absorption lines, we derive chemical, ionic and kinematic properties of the individual absorbing systems, and thus build a picture of the host as a whole. Striking differences between the systems imply that the line of sight passes through several phases of gas: the star-forming regions of the GRB host; enriched material in the form of a galactic outflow; the hot and ionised halo of a second, interacting galaxy falling towards the host at a line-of-sight velocity of 700 km s$^{-1}$; and a cool, metal-poor cloud which may represent one of the best candidates yet for the inflow of metal-poor gas from the intergalactic medium.

研究の動機と目的

• z ≈ 3.35の高赤方偏移ガンマ線バースト（GRB）宿主銀河の多相ガス環境を調査すること。
• GRB 080810への視線方向に沿った吸収ガス成分の運動学的・化学的・イオン化構造を特定すること。
• 高赤方偏移における星形成・相互作用銀河系でガスの流入および吹き出しプロセスを同定・特徴づけること。
• 金属貧困ガスの降着と金属豊富な吹き出しの役割が、初期銀河における星形成をどのように制御しているかを評価すること。
• 観測された低中性水素密度が、銀河中心に近接しているにもかかわらず、密度が高く星形成が活発な環境と整合的であるかどうかを検証すること。

提案手法

• GRB 080810の後発光を用いてKeck/HIRESを用いて高分解能分光測定を実施し、吸収線プロファイルを詳細に取得した。
• リーマン系列吸収線に対してボイントプロファイルフィッティングを実施し、中性水素の吸収断面密度（NH I）と赤方偏移を測定した。
• 金属吸収線（例：Si II, C II, Mg II）を分析して、個々のガス成分のイオン化状態、金属量、運動学的特性を導出した。
• 赤方偏移とドップラー速度のずれを用いて、GRB宿主銀河、前方の銀河、および潜在的な銀河間ガスに起因する成分を区別した。
• 宇宙論的モデルと径方向速度補正を適用して、吸収系の物理的位置と運動を解釈した。
• 低NH I値の有意性を、GRB宿主環境の文脈で評価し、ダムプド・リーマン・アルファ吸収体（DLAs）およびリーマン・リミット系（LLS）と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 080810の宿主環境で観測された低中性水素密度（log NH I ≤ 18.35 cm⁻²）は、銀河中心から約5 kpcの距離に位置するにもかかわらず、その性質と起源は何か？
• RQ2 GRB宿主系に金属豊富な吹き出しの存在を示す証拠は何か？そのイオン化状態と星形成領域からの相対的ドップラー速度は？
• RQ3 スペクトルで検出された金属貧困ガス成分は、銀河間物質（IGM）からの金属貧困ガスの流入を示す可能性があると特定できるか？
• RQ4 z ≈ 3.35の4つの主要吸収系の運動学的・化学的性質は、宿主銀河系全体の相互作用と星形成とどのように関係しているか？
• RQ5 GRB宿主と第二の相互作用銀河との間の視線方向の速度差（700 km s⁻¹）の意味は何か？ガス成分の解釈にどのように影響するか？

主な発見

• GRB 080810の宿主系は、z ≈ 3.35の相互作用する銀河対に属し、バーストはより遠方で星形成が活発な成分に発生しており、星形成速度は約100 M☉ yr⁻¹である。
• 宿主系の最も密度の高いガス成分における中性水素吸収断面密度は log NH I ≤ 18.35 cm⁻² であり、銀河中心から約5 kpcの距離に視線が通っているにもかかわらず、GRB宿主で測定された中で最も低い値の一つである。
• 金属豊富な吹き出し成分が、密度の高いガス成分に対して約−200 km s⁻¹のドップラー速度で検出され、これは銀河中心半径≤5 kpcの領域で、星間物質（ISM）からホットハローへのガスの放出を示している。
• 金属貧困ガス成分（システムD）は金属の検出がわずかであり、これはIGMからの流入予想ガス、すなわち宿主複合体から1.5 Mpc以内の領域に存在する可能性を示唆している。
• 相互作用する銀河系は相対速度約700 km s⁻¹で接近しており、第二の銀河が視線方向に近づいている。このため、複雑なガス環境が生じている。
• 星形成環境に存在する低NH I系の検出は、GRB宿主では高密度の中性水素吸収が一般的であるという仮定に反するものであり、高赤方偏移銀河のISM状態の多様性を強調している。