[論文レビュー] Host galaxies of long gamma-ray bursts in the Millennium Simulation

Nora Elisa Chisari, P. B. Tissera+1 more|Data Archiving and Networked Services (DANS)|May 21, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 91被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、ミレニアム・シミュレーションを用いて、質量および金属量の制約を課した前身星を模擬することで、長期間ガンマ線バースト（LGRB）の母銀河をモデル化する。観測可能なLGRB母銀河は、$10^{11}$–$10^{11.5}$ M⊙のダークマター準拠の内、$10^{8.5}$–$10^{10.3}$ M⊙の星族質量と$0.6\,{\rm Z_\odot}$未満の金属量を持つことが多く、赤方偏移にわたって観測された性質と一致する。

ABSTRACT

(abridged) In this work, we investigate the nature of the host galaxies of long Gamma-Ray bursts (LGRBs) using a galaxy catalogue constructed from the Millennium Simulation. We developed an LGRB synthetic model based on the hypothesis that these events originate at the end of the life of massive stars following the collapsar model, with the possibility of including a constraint on the metallicity of the progenitor star. A complete observability pipeline was designed to calculate a probability estimation for a galaxy to be observationally identified as a host for LGRBs detected by present observational facilities. This new tool allows us to build an observable host galaxy catalogue which is required to reproduce the current stellar mass distribution of observed hosts. This observability pipeline predicts that the minimum mass for the progenitor stars should be ~75 solar masses in order to be able to reproduce BATSE observations. Systems in our observable catalogue are able to reproduce the observed properties of host galaxies, namely stellar masses, colours, luminosity, star formation activity and metallicities as a function of redshift. At z>2, our model predicts that the observable host galaxies would be very similar to the global galaxy population. We found that ~88 per cent of the observable host galaxies with mean gas metallicity lower than 0.6 solar have stellar masses in the range 10^8.5-10^10.3 solar masses in excellent agreement with observations. Interestingly, in our model observable host galaxies remain mainly within this mass range regardless of redshift, since lower stellar mass systems would have a low probability of being observed while more massive ones would be too metal-rich. Observable host galaxies are predicted to preferentially inhabit dark matter haloes in the range 10^11-10^11.5 solar masses, with a weak dependence on redshift.

研究の動機と目的

• 宇宙論的シミュレーションを用いて、長期間ガンマ線バースト（LGRB）母銀河の物理的性質を理解すること。
• コラプサー・モデルに従い、低金属量の高質量星がLGRBの前身星であるという仮説を検証すること。
• 現在の観測施設が対象として検出可能な銀河を予測する観測可能性パイプラインを開発すること。
• 観測されたLGRB母銀河の星族質量関数を再現し、金属量および星形成の役割を評価すること。
• 宇宙時間にわたる観測可能なLGRB母銀河の環境的および準拠質量依存性を調査すること。

提案手法

• コラプサー・シナリオに基づき、金属量および星形成の制約を課した高質量星を前身星として仮定した、合成LGRBモデルを構築する。
• 全観測可能性パイプラインを計算し、検出限界および検出閾値を組み込むことで、銀河がLGRB母銀河として検出可能である確率を算出する。
• 半アナリティカルモデルを用いてミレニアム・シミュレーションのカタログから銀河の性質（星族質量、SFR、金属量、明るさ、色）を導出する。
• 潜在的母銀河の選別に$0.6\,{\rm Z_\odot}$の金属量閾値を適用し、ほこりの効果への感受性も考慮する。
• 準拠質量および環境密度を追跡し、母銀河のクラスタリングおよび空間的分布を評価する。
• 結果を観測されたLGRB母銀河の性質（星族質量関数、SFR、金属量）と比較し、赤方偏移にわたる一貫性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測的に検出可能で、現在の観測と整合するLGRB母銀河に必要な星族質量範囲は何か？
• RQ2 前身星の金属量が、LGRB母銀河の観測可能性および性質にどのように影響するか？
• RQ3 観測可能なLGRB母銀河の好ましいダークマター準拠質量範囲は何か？また、赤方偏移とともにどのように変化するか？
• RQ4 宇宙時間にわたる観測可能なLGRB母銀河の星形成率（SFR）および色は、全銀河集団と比べてどう異なるか？
• RQ5 環境的および形態的特徴として、観測可能なLGRB母銀河は他の銀河とどのように異なるか？

主な発見

• モデルは、検出可能なLGRBの最小前身星質量が約$75\,{\rm M_\odot}$であると予測しており、BATSE観測と一致する。
• 観測可能なLGRB母銀河の88％が$10^{8.5}$から$10^{10.3}\,{\rm M_\odot}$の星族質量に分布しており、観測された分布と一致する。
• 観測可能な母銀河は、$10^{11}$–$10^{11.5}\,{\rm M_\odot}$のダークマター準拠に偏って存在し、赤方偏移にほとんど依存しない。
• 赤方偏移$z>2$では、観測可能な母銀河は環境および密度において全銀河集団と類似しているが、近くに同伴銀河を有する確率がわずかに高い。
• すべての赤方偏移で、観測可能な母銀河の星形成率（SFR）は全銀河集団を上回っており、特に$z<2$では顕著な過剰を示し、平均的に青色に近い。
• モデルは、LGRB前身星に$0.6\,{\rm Z_\odot}$の金属量閾値が適切であることを支持するが、GRB-DLA観測からより低い値が示唆される可能性もある。