[論文レビュー] GRB 140515A at z=6.33: Constraints on the End of Reionization From a Gamma-ray Burst in a Low Hydrogen Column Density Environment

R. Chornock, E. Berger+4 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用数 19

ひとこと要約

本研究は、赤方偏移 z ≈ 6.33 における GRB 140515A の光学的後光を Gemini-North の分光測定によって分析し、宇宙間媒体（IGM）における中性水素の割合が低いことを示す明確な Lyα 吸収端の存在を明らかにした。データは、2σ の信頼水準で IGM の平均中性水素割合が ≤0.21 であることを制限し、再イオン化の終焉が遅れており、z ≈ 6.33 における IGM の透過率が低いことを支持する。

ABSTRACT

We present the discovery and subsequent spectroscopy with Gemini-North of the optical afterglow of the Swift gamma-ray burst (GRB) 140515A. The spectrum exhibits a well-detected continuum at wavelengths longer than 8915 Angs with a steep decrement to zero flux blueward of 8910 Angs due to Ly-alpha absorption at redshift z~6.33. Some transmission through the Lyman-alpha forest is present at 5.2~6.

研究の動機と目的

• ガンマ線バーストの後光を用いて、高赤方偏移（z ≈ 6.33）における宇宙間媒体（IGM）のイオン化状態を制限すること。
• 観測された Lyα 吸収が、ホスト銀河の寄与か、それとも中間の IGM の寄与かを、観測線路上の水素密度が低いという事実を踏まえて特定すること。
• Lyα の赤方減衰翼を複数の物理的状況でモデル化することで、宇宙再イオン化の終焉に与える影響を評価すること。
• 高赤方偏移の GRB 看線における低 HI 密度が、初期の星形成銀河からのイオン化光子の漏れ率が高まっている可能性を評価すること。
• この GRB からの制限を、クェーサーおよび他の高赤方偏移 GRB からの制限と比較し、再イオン化のタイムラインを精緻化すること。

提案手法

• Gemini-North望遠鏡の GMOS 計器を用いて、GRB 140515A の後光の高感度光学分光測定を実施した。
• 8910 Å より短波長側に顕著な輝度低下が観測されたことから、z ≈ 6.33 における Lyα 吸収であると特定した。
• Lyα の赤方減衰翼を3つのモデルでフィットした：(a) z = 6.327 における単一のホスト吸収体、(b) 恒常の中性水素割合を有する純粋な IGM 吸収、(c) イオン化バブル内のホストを含むハイブリッドモデル。
• カイ二乗最小化を用いてフィットの良さを評価し、全モデルで赤色カイ二乗値 ≈ 1.0 であった。2σ の信頼区間を導出した。
• 大気中の H₂O 吸収を補正し、残留汚染が見られるスペクトルチャンネルを除外した。
• 宇宙のばらつきおよび看線の確率的変動を考慮した上で、各モデルにおける IGM 平均中性水素割合 ȳ_HI の制限を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 140515A の Lyα 減衰翼から、z ≈ 6.33 における IGM の中性水素割合はどの程度と推定されるか？
• RQ2 観測された Lyα 吸収は、水素密度が低いという事実を踏まえると、主に GRB ホスト銀河に起因するのか、それとも中間の IGM に起因するのか？
• RQ3 この GRB からの ȳ_HI の制限は、クェーサーおよび他の高赤方偏移 GRB からの制限と比較してどう異なるか？
• RQ4 この看線における低 HI 密度は、高赤方偏移の星形成銀河からのイオン化光子の漏れ率が増加していることを示唆するのか？
• RQ5 Lyα の急激な低下は、z ≈ 6.33 における再イオン化のタイミングと不均一性について何を示唆するか？

主な発見

• 8910 Å における Lyα 吸収端は、GRB 140515A の赤方偏移が z = 6.327 であることを確認し、これは分光的に確認された GRB として3番目に遠方のものである。
• 赤方減衰翼は3つのモデルで最もよくフィットした：(a) log(N_HI) = 18.62 ± 0.08 cm⁻² のホスト吸収体、(b) ȳ_HI = 0.056⁺⁰.⁰¹¹₋₀.⁰²⁷ の純粋な IGM 吸収、(c) ȳ_HI = 0.12 ± 0.05 のハイブリッドモデル。
• ハイブリッドモデルにおける ȳ_HI の 2σ 上限は 0.21 であり、z ≈ 6.33 における IGM は主にイオン化されていることが示唆される。
• ホスト銀河由来の狭帯域吸収ラインは検出されず、金属量 [Z/H] ≤ -0.8 であると示唆される。
• 低 HI 密度（log(N_HI) ≈ 18.62 cm⁻²）は、このような高赤方偏移の GRB 看線では非常に稀であり、初期の星形成銀河からのイオン化光子の漏れ率が高まっている可能性を示唆する。
• Lyα の急激な低下は、全モデルにおいて z ≈ 6.33 における IGM に顕著な中性水素割合がないことを排除し、再イオン化の終焉が遅れていることを支持する。