[論文レビュー] Implications for the Cosmic Reionization from the Optical Afterglow Spectrum of the Gamma-Ray Burst 050904 at z = 6.3

Tomonori Totani, N. Kawai+6 more|Dec 6, 2005

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 z = 6.3 における GRB 050904 の光学的後光スペクトルをすばる望遠鏡のデータを用いて分析し、宇宙再イオン化期の銀河間物質（IGM）を調べた。IGMの中性水素分率の最初の直接的・定量的上限が得られ、95%信頼区間で x_HI < 0.17 であり、z ≈ 6.3 の時点で宇宙はほとんどイオン化していたことが示された。

ABSTRACT

The gamma-ray burst (GRB) 050904 at z = 6.3 provides the first opportunity of probing the intergalactic medium (IGM) by GRBs at the epoch of the reionization. Here we present a spectral modeling analysis of the optical afterglow spectrum taken by the Subaru Telescope, aiming to constrain the reionization history. The spectrum shows a clear damping wing at wavelengths redward of the Lyman break, and the wing shape can be fit either by a damped Ly alpha system with a column density of log (N_HI/cm^{-2}) ~ 21.6 at a redshift close to the detected metal absorption lines (z_metal = 6.295), or by almost neutral IGM extending to a slightly higher redshift of z_{IGM,u} ~ 6.36. In the latter case, the difference from z_metal may be explained by acceleration of metal absorbing shells by the activities of the GRB or its progenitor. However, we exclude this possibility by using the light transmission feature around the Ly beta resonance, leading to a firm upper limit of z_{IGM,u} &lt; 6.314. We then show an evidence that the IGM was largely ionized already at z=6.3, with the best-fit neutral fraction of IGM, x_HI = N_HI/N_H = 0.00, and upper limits of x_HI &lt; 0.17 and 0.60 at 68 and 95% C.L., respectively. This is the first direct and quantitative upper limit on x_HI at z &gt; 6. Various systematic uncertainties are examined, but none of them appears large enough to change this conclusion. To get further information on the reionization, it is important to increase the sample size of z &gt;~ 6 GRBs, in order to find GRBs with low column densities (log N_HI

研究の動機と目的

• 高赤方偏移のガンマ線バーストの光学的後光スペクトルを用いて、宇宙再イオン化の歴史を制約すること。
• 再イオン化の重要な時期とされる z ≈ 6.3 における銀河間物質（IGM）内の水素中性分率（x_HI）を決定すること。
• ダムプド・ライマンα系（DLA）と拡散的 IGM による吸収を区別し、結果に影響を及ぼす系統的不確実性を評価すること。
• ライマンα発光および吸収特徴を用いて、ガンマ線バーストの後光が再イオン化のプローブとしての可能性を評価すること。

提案手法

• すばる望遠鏡が取得した GRB 050904 の光学的後光スペクトルのスペクトルモデリングを行い、ライマンブレイクおよびダミングウェイントの特徴に注目した。
• ダミングウェイントを z_DLA ≈ 6.295 におけるダムプド・ライマンα系（DLA）でフィットし、より高い赤方偏移まで延長される拡散的 IGM 吸収モデルと比較した。
• ライマンβ共振透過特徴を用いて、z ≈ 6.314 よりも高い赤方偏移では IGM 吸収が顕著でないことを示し、IGM 中性分率の上限を設定した。
• DLA の吸収深さを自由パラメータとして扱い、尤度解析を実施することで、x_HI の最尤推定値および信頼区間推定値を得た。
• スペクトル指数、チリの減光、赤方偏移パラメータの誤差、弱い未同定ライン、および DLA の時間的変動性といった系統的不確実性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 050904 の後光スペクトルによって制約される z ≈ 6.3 における銀河間物質（IGM）内の水素中性分率（x_HI）はどの程度か？
• RQ2 観測されたダミングウェイントは、金属吸収赤方偏移 z_metal ≈ 6.295 におけるダムプド・ライマンα系（DLA）で説明できるのか、それともより高い赤方偏移で追加の IGM 吸収が必要か？
• RQ3 チリの減光、スペクトル指数、DLA の時間的変動性といった系統的要因が、導出された x_HI 上限にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 ライマンブレイク銀河やライマンα発光銀河と比較して、ガンマ線バーストの宿主銀河が再イオン化のより偏りの少ないプローブとなる可能性は、ライマンα発光特性に基づいて評価できるか？

主な発見

• GRB 050904 スペクトルのダミングウェイントは、z_DLA ≈ 6.295 におけるダムプド・ライマンα系（DLA）で最もよく説明され、吸収深さ log(N_HI/cm⁻²) ≈ 21.6 であった。
• ライマンβ共振透過特徴により、IGM 吸収が z_Igm,u ≤ 6.314 よりも高い赤方偏移では顕著でないことが示され、中性 IGM 吸収の赤方偏移の上限が明確に定まった。
• IGM の最尤中性分率は x_HI = 0.00 であり、95%信頼区間で x_HI < 0.17、95%信頼区間で x_HI < 0.60 であった。
• チリの減光、スペクトル指数、赤方偏移パラメータ、弱いライン、DLA の時間的変動性といったすべての系統的不確実性要因を検討したが、z ≈ 6.3 における IGM がほとんどイオン化しているという結論を覆す要因にはならなかった。
• 宿主銀河からのライマンα発光は検出されず、減光補正を施さない星形成率の上限は SFR < 0.79 M☉/yr であった。
• 本研究は、z > 6 における x_HI に対する最初の直接的・定量的上限を確立した。この結果は、ライマンα発光体およびクェーサーのスペクトルからの間接的制約と整合的であった。