[論文レビュー] GRB 130606A within a sub-DLA at redshift 5.91

A. J. Castro‐Tirado, R. Sánchez-Ramírez+39 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本研究は赤方偏移 z = 5.91 の GRB 130606A を調査し、その host を金属量が低いサブ・ダムプド・ライマン＝アルファ系 (sub-DLA) と特定した。log N(H I) = 19.85 ± 0.15 であり、金属量は太陽値の約 1/7 から 1/60 である。X線後光は、コンパクトで密度の高い環境における時間に依存する光電離によって説明され、ローレンツ因子 Γ₀ ≈ 65–220 である。これは、高赤方偏移において初期銀河間物質の金属豊度およびイオン化状態を調査するための強力な手段としてのガンマ線バーストの可能性を示している。

ABSTRACT

Events such as GRB130606A at z=5.91, offer an exciting new window into pre-galactic metal enrichment in these very high redshift host galaxies. We study the environment and host galaxy of GRB 130606A, a high-z event, in the context of a high redshift population of GRBs. We have obtained multiwavelength observations from radio to gamma-ray, concentrating particularly on the X-ray evolution as well as the optical photometric and spectroscopic data analysis. With an initial Lorentz bulk factor in the range Γ_0 ~ 65-220, the X-ray afterglow evolution can be explained by a time-dependent photoionization of the local circumburst medium, within a compact and dense environment. The host galaxy is a sub-DLA (log N (HI) = 19.85+/-0.15), with a metallicity content in the range from ~1/7 to ~1/60 of solar. Highly ionized species (N V and Si IV) are also detected. This is the second highest redshift burst with a measured GRB-DLA metallicity and only the third GRB absorber with sub-DLA HI column density. GRB ' lighthouses' therefore offer enormous potential as backlighting sources to probe the ionization and metal enrichment state of the IGM at very high redshifts for the chemical signature of the first generation of stars.

研究の動機と目的

• GRB 130606A は赤方偏移 z = 5.91 の明るいガンマ線バーストであるが、その高赤方偏移における host 環境を特徴づけること。
• 多波長の後光データを用いて、host 星間媒体の金属量とイオン化状態を特定すること。
• z > 5 の領域における銀河間物質 (IGM) を探査するためのバックライト源としてのガンマ線バーストの可能性を評価すること。
• host システムが第3星族星の化学的痕跡または銀河形成以前の金属豊度を保持しているかどうかを検討すること。
• 既存の文献におけるクェーサー吸収体および他の GRB-DLA と比較して、GRB-DLA の性質を文脈づけること。

提案手法

• 電波からガンマ線にわたる多波長観測を取得し、X線光度曲線の時間的変化と光学的 photometric および分光的データに特に注目した。
• X線後光の光度曲線を時間に依存する光電離モデルを用いて解析し、周囲爆発領域の密度および構造を推定した。
• 吸収線から中性水素の柱密度 N(H I) を測定し、システムをサブ-DLA (log N(H I) = 19.85 ± 0.15) と分類した。
• チタンや亜鉛、酸素、ケイ酸、鉄などのイオン化補正済み元素組成指標 (Zn, S, O, Si, Fe+0.4 dex) を用いて金属量を決定し、チリの吸着効果を補正した。
• 分光スペクトルに高イオン化種 (N V, Si IV) を検出することで、host 環境におけるイオン化場の強さを評価した。
• 赤方偏移-金属量図および N(H I)-金属量図を用いて、GRB 130606A の性質をクェーサー-DLA や他の GRB-DLA と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 130606A の host 星銀河における中性水素の柱密度と金属量は何か？
• RQ2 GRB 130606A のX線後光の時間的変化は、周囲爆発領域の密度およびイオン化状態をどのように制約するか？
• RQ3 光学およびX線スペクトルに観測された吸収特徴は、銀河形成以前の金属豊度または第3星族星の形成の証拠を示唆するか？
• RQ4 GRB 130606A の金属量は、他の高赤方偏移 DLA やサブ-DLA システム、特にクェーサー吸収体と比較してどう異なるか？
• RQ5 GRB 130606A のようなGRBは、高赤方偏移におけるIGMのイオン化状態および化学的状態を効果的に探査するバックライト源としてどの程度有効か？

主な発見

• GRB 130606A は log N(H I) = 19.85 ± 0.15 のサブ-DLA に宿されており、これは高赤方偏移で極めてまれな吸収体タイプであることを確認した。
• X線後光の時間的変化は、初期ローレンツ因子 Γ₀ ≈ 65–220 のコンパクトで密度の高い環境における時間に依存する光電離によって最もよく説明される。
• host 星銀河の金属量は ∼1/7 から ∼1/60 太陽値であり、既知の最も金属量が低いGRB host の一つに位置する。
• N V や Si IV といった高イオン化種が検出されたことから、host 環境に強いイオン化放射場が存在することが示された。
• GRB 130606A は金属量が測定されたGRB-DLAの中で2番目に高い赤方偏移であり、サブ-DLA の HI 柱密度を持つGRB吸収体としては3例目である。
• 低金属量と高い赤方偏移から、銀河形成以前の金属豊度との関連が示唆されるが、第3星族星の起源ではない可能性も残っている。