[論文レビュー] High Metallicity LGRB Hosts

J. F. Graham, A. S. Fruchter+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2015

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、長期間のガンマ線バースト（LGRB）が高金属量宿主銀河にまれに観測される現象を調査し、長年にわたり広く受け入れられてきた理論、すなわちLGRBは常に低金属量環境でのみ形成されるという仮説に疑問を呈する。LGRB 051022およびLGRB 020819Bの深紫外・赤外画像および分光測定を用いて、これらのバーストが太陽に近い金属量（12+log(O/H) ≈ 8.6–8.7）を持つ宿主銀河に存在することを明らかにした。これは、高金属量環境でもLGRB形成が可能であるが、まれであることを示唆し、金属量依存のない形成経路が存在する可能性を示唆している。そのメカニズムの一つとして、二重星系の相互作用が関与している可能性が示唆される。

ABSTRACT

We present our imaging and spectroscopic observations of the host galaxies of two dark long bursts with anomalously high metallicities, LGRB 051022 and LGRB 020819B, which in conjunction with another LGRB event with an optical afterglow comprise the three LGRBs with high metallicity host galaxies in the Graham & Fruchter (2013) sample. In Graham & Fruchter (2013), we showed that LGRBs exhibit a strong and apparently intrinsic preference for low metallicity environments (12+log(O/H) < 8.4 in the KK04 scale) in spite of these three cases with abundances of about solar and above. These exceptions however are consistent with the general star-forming galaxy population of comparable brightness & redshift. This is surprising: even among a preselected sample of high metallicity LGRBs, were the metal aversion to remain in effect for these objects, we would expect their metallicity to still be lower than the typical metallicity for the galaxies at that luminosity and redshift. Therefore we deduce that it is possible to form an LGRB in a high metallicity environment although with greater rarity. From this we conclude that there are three possible explanations for the presence of the LGRBs observed in high metallicity hosts as seen to date: (1) LGRBs do not occur in high metallicity environments and those seen in high metallicity hosts are in fact occurring in low metallicity environments that have become associated with otherwise high metallicity hosts but remain unenriched. (2) The LGRB formation mechanism while preferring low metallicity environments does not strictly require it resulting in a gradual decline in burst formation with increasing metallicity. (3) The typical low metallicity LGRBs and the few high metallicity cases are the result of physically different burst formation pathways with only the former affected by the metallicity and the later occurring much more infrequently.

研究の動機と目的

• 長期間のガンマ線バースト（LGRB）が、標準的に低金属量環境に限定されるという既存の理論に反する高金属量宿主銀河における起源を調査すること。
• 観測された高金属量LGRB宿主が真正の高金属量環境に由来するのか、それとも周囲の高金属量銀河内に存在する局所的低金属量領域による汚染の可能性があるのかを特定すること。
• LGRB形成が、標準的な低金属量経路とは異なるメカニズムによって高金属量環境でも可能かどうかを評価すること。
• 高金属量星においても質量損失が顕著であるにもかかわらず、ジェット形成を可能にするために二重星同伴星が果たす役割を評価すること。

提案手法

• Gemini/GMOS、Keck/NIRSPEC、およびハッブル宇宙望遠鏡を用いて、LGRB 051022およびLGRB 020819Bの宿主銀河の深紫外・赤外画像および分光測定を実施した。
• KK04スケールを用いて酸素の同素体濃度を測定し、宿主の金属量を特定した。その結果、12+log(O/H) ≈ 8.6–8.7の値が得られ、太陽または太陽に近い値と一致した。
• LGRB発生位置が宿主内での星形成領域や金属量勾配とどのように分布しているかを比較し、バーストが低金属量ポケットに発生しているかどうかを検証した。
• 赤方偏移z > 0.8の環境で空間分解能のある金属量測定を達成するために、レーザー補助ガイドスターアダプティブオプティクスと赤外干渉分光ユニット分光法の利用を提案した。
• 高赤方偏移域における大気の揺らぎの制限を克服するため、可変帯域ACSランプフィルターとIFU観測を組み合わせることを提案した。
• 二重星の進化経路が、高金属量の前身星を回転させ、質量損失が顕著であってもジェット形成を可能にするメカニズムとして評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長期間のガンマ線バーストは高金属量環境でも形成可能なのか、それとも観測された宿主が局所的低金属量領域による誤特定に起因しているのか？
• RQ2 LGRB形成メカニズムは厳密に低金属量に依存しているのか、それとも金属量の増加に伴いバースト率が徐々に低下するのか？
• RQ3 高金属量LGRBは、通常の低金属量LGRBとは物理的に異なるメカニズムによって形成されているのか？
• RQ4 高金属量系における二重星相互作用が、金属量制限を回避するためのジェットコリメーションに必要な角運動量を提供できるのか？

主な発見

• LGRB 051022およびLGRB 020819Bは、12+log(O/H) ≈ 8.6–8.7の宿主銀河に存在しており、これは太陽または太陽に近い金属量を示しており、LGRB宿主の典型的な低金属量傾向と矛盾する。
• 2つの高金属量LGRB宿主は、同等の光度および赤方偏移を示す一般的な星形成銀河と一致しており、低金属量へのバイアスが本質的に存在しないことを示唆している。
• これらの高金属量LGRBの存在は、低金属量が強く好まれるが、LGRB形成の厳密な要件ではないことを示している。
• 研究者たちは、金属量に依存しない形成経路が存在し、それが二重星同伴の影響を受ける可能性があると結論づけた。この経路は、高金属量環境におけるLGRBの希少な発生を説明できる可能性がある。
• バーストが宿主内での低金属量領域に発生しているのか、それとも通常のLGRB宿主と同様に高金属量の星形成領域に発生しているのかを特定するために、空間分解能のある分光測定が推奨される。
• 研究者たちは、二重星相互作用が高金属量の前身星を回転させ、質量損失が顕著であってもジェット形成を可能にする可能性があると仮説を立てており、これは標準的な単一星モデルとは異なる有効な代替手段を提供する。