[論文レビュー] Metallicity effects on the cosmic SNIb/c and GRB rates

V. Gríeco, F. Matteuccí+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、渦巻銀河および不規則銀河におけるワルフ＝レイター（WR）起源星の金属量依存最小質量を組み込み、タイプ Ib/c超新星（SNIb/c）およびガンマ線バースト（GRBs）の宇宙的発生率をモデル化する。観測および理論的宇宙星形成率（CSFR）を用いて、GRBsを生成するSNIb/cイベントの割合はわずか約10⁻⁴にとどまり、金属量の影響により初期のSNIb/c発生率は顕著に低下するが、局所的発生率にはほとんど影響しないことが示され、特定の輝度関数の仮定のもとでGRBsが高赤方偏移星形成の有効なトレーサーであることが確認された。

ABSTRACT

Supernovae Ib/c are likely to be associated to long GRBs, therefore it is important to compare the SN rate in galaxies with the GRB rate. To do that we computed Type Ib/c SN rates in galaxies of different morphological type by assuming different histories of star formation and different supernova Ib/c progenitors. We included some recent suggestions about the dependence of the minimum mass of single Wolf-Rayet (WR) stars upon the stellar metallicity and therefore upon galactic chemical evolution. We adopted several cosmic star formation rates as functions of cosmic time, either observationally or theoretically derived, including the one computed with our galaxy models. Then we computed the cosmic Type Ib/c SN rates. We derived the following conclusions: i) the ratio cosmic GRB - Type Ib/c rate varies in the range 10^{-2}-10^{-4} in the whole redshift range, thus suggesting that only a small fraction of all the Type Ib/c SNe gives rise to GRBs. ii) The metallicity dependence of Type Ib/c SN progenitors produces lower cosmic SN Ib/c rates at early times, for any chosen cosmic star formation rate. iii) Different theoretical cosmic star formation rates, computed under different scenarios of galaxy formation, produce SN Ib/c cosmic rates which differ mainly at very high redshift. However, it is difficult to draw firm conclusions on the high redshift trend because of the large uncertainties in the data. iv) GRBs can be important tracers of star formation at high redshift if their luminosity function does not vary with redshift and they can help in discriminating among different galaxy formation models.

研究の動機と目的

• 金属量依存のWR起源星の最小質量を用いて、渦巻銀河および不規則銀河における宇宙的SNIb/c超新星発生率をモデル化すること。
• 予測されたSNIb/c発生率と観測された宇宙的GRB発生率を比較し、SNIb/cイベントのうちGRBsを生成する割合を制約すること。
• 宇宙星形成率（CSFR）の歴史の違いが予測されるSNIb/cおよびGRB発生率に与える影響、特に高赤方偏移領域における影響を評価すること。
• 輝度関数とCSFRの不確実性を考慮した場合、GRBsが高赤方偏移星形成の信頼できるトレーサーとして機能できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 渦巻銀河および不規則銀河の化学進化モデルを用い、星形成歴と起源星の仮定に基づいてSNIb/c発生率を計算した。
• 金属量に依存する単一WR星の最小質量を組み込み、金属量が高いほどWR形成に必要な最小質量が増加することを反映した。
• SNIb/cの起源星として単一WR星と大質量連星系の両方の寄与を評価し、連星の割合を大質量星の15％と設定した。
• 観測的に導かれた（例：Cole et al. 2001）および理論的銀河モデルから導かれた複数のCSFRを用い、宇宙時間にわたる宇宙的SNIb/c発生率を計算した。
• 予測された宇宙的SNIb/c発生率とSwiftおよび他の調査から得られた観測GRB発生率を比較し、GRB/SNIb/c比を導出した。
• 標準的なCSFRモデルが高赤方偏移観測を低く予測する傾向にある中で、GRB輝度関数の仮定が高赤方偏移観測と整合するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属量依存のWR起源星の最小質量閾値が、渦巻銀河および不規則銀河における予測される宇宙的SNIb/c超新星発生率に与える影響は何か？
• RQ2 宇宙的GRB発生率とSNIb/c発生率の比は赤方偏移とともにどのように変化するのか？ これはSNIb/cイベントのうちGRBsを生成する割合に何を示唆するか？
• RQ3 異なる宇宙星形成率（CSFR）の歴史が、特に高赤方偏移領域における予測されるSNIb/cおよびGRB発生率にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 GRBsが高赤方偏移星形成の信頼できるトレーサーとして機能できるか？ また、観測と一致させるためにどのような輝度関数の仮定が必要か？

主な発見

• 局所的なGRB/SNIb/c発生率比は約3×10⁻³であり、SNIb/c超新星のわずか一部がGRBsを生成することを示している。
• 金属量依存のWR起源星の最小質量を組み込むことで、初期宇宙におけるSNIb/c発生率の予測値は低下するが、局所的発生率にはほとんど影響しない。
• 最新のSwiftから得られたGRB発生率を用いた場合、宇宙的GRB/SNIb/c発生率比は約10⁻⁴と推定され、過去の古いデータに基づく推定値よりも低くなっている。
• 異なる理論的CSFRは、特に高赤方偏移領域でSNIb/c宇宙的発生率に差をもたらすが、大きな不確実性のため、高赤方偏移傾向について明確な結論は得られない。
• GRBの輝度関数が赤方偏移とともに変化しない場合、GRBsは高赤方偏移星形成の効果的なトレーサーとして機能する。そうでない場合、モデルは高赤方偏移領域のGRB検出数を低く予測してしまう。
• 高赤方偏移領域におけるモデル予測とSwift観測との乖離は、初期宇宙でのCSFRがより高いか、GRBの特徴的輝度が赤方偏移とともに増加するかのいずれかによって解消される可能性がある。