[論文レビュー] Protecting Life in the Milky Way: Metals Keep the GRBs Away

K. Z. Stanek, Oleg Y. Gnedin+8 more|ArXiv.org|Apr 6, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、長期間ガンマ線バースト（GRB）が金属量が低い銀河に特に多く発生することを示している。5つの局所的GRBの母銀河（z ≤ 0.25）は、全てもつて酸素含有量が12 + log(O/H) < 8.6未満であり、太陽値のおよそ半分に相当する。著者らは、太陽系の金属量よりも高い金属量のため、最近数十億年間、銀河系は長期間GRBを発生させられる環境にないとしており、宇宙論的GRBの金属量の閾値が約0.15 Z⊙であると結論づけている。これは、急速に回転する低金属量の前身星を支持する理論モデルと整合する。

ABSTRACT

The host galaxies of the five local, z&lt;0.25, long-duration gamma-ray bursts, each of which had a well-documented associated supernova, are all faint and metal-poor compared to the population of local star-forming galaxies. We quantify this statement by using a previous analysis of star-forming galaxies (z&lt;0.2) from the Sloan Digital Sky Survey to estimate the fraction of local star formation as a function of host galaxy oxygen abundance. We find that only a small fraction (&lt;25%) of current star formation occurs in galaxies with oxygen abundance 12+log(O/H)&lt;8.6, i.e., about half that of the Milky Way. However, all five low-z GRB hosts have oxygen abundance below this limit, in three cases very significantly so. If GRBs traced local star formation independent of metallicity, the probability of obtaining such low abundances for all five hosts would be P~0.1%. We conclude that GRBs trace only low-metallicity star formation, and that the Milky Way has been too metal rich to host long GRBs for at least the last several billion years. This result has implications for the potential role of GRBs in mass extinctions, for searches for recent burst remnants in the Milky Way and other large galaxies, for non-detections of late radio emission from local core-collapse supernovae, and for the production of cosmic rays in the local Universe. We also find that the isotropic energy release of these five GRBs, E_iso, steeply decreases with increasing host oxygen abundance, suggesting an upper metallicity limit for ``cosmological'' GRBs at ~0.15 Z_solar. (Abridged)

研究の動機と目的

• 長期間ガンマ線バースト（GRB）が金属量に依存せずに局所的星形成を反映するかを特定すること。
• GRBの母銀河が、一般の局所的星形成銀河と比較して著しく金属量が低いとされるかを評価すること。
• GRB発生に金属量の閾値が及ぼす影響が、宇宙線生成、GRBの残骸、および質量絶滅シナリオに与える意味を評価すること。
• GRBが低金属量・急速回転する前身星と関連する理論的モデルを検証すること。

提案手法

• 著者らは、分光的データを用いて、5つの局所的GRB母銀河（z ≤ 0.25）の酸素含有量を分析した。
• これらを、スローン・デジタル・スカイ・サーベイ（SDSS）から得た大規模な局所的星形成銀河のサンプル（0.005 < z < 0.2）と比較した。
• 12 + log(O/H) < 8.6 である銀河で発生する局所的星形成の割合を定量化し、比較のための基準とした。
• すべての5つのGRB母銀河がこのような低金属量環境にある確率を計算した結果、p ≈ 0.1% となった。
• 5つのGRBの等方的エネルギー放出（E_iso）と母銀河の酸素含有量の関係を相関させ、物理的依存性を検証した。
• 星風による質量損失と大質量星の角運動量の進化に関する理論的モデルを参照して、結果を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長期間GRBは金属量に依存せずに局所的星形成を反映するのか、それとも低金属量環境に特に偏って発生するのか？
• RQ2 GRBが金属量の範囲にランダムに分布していると仮定した場合、5つの局所的GRB母銀河がすべて低酸素含有量（12 + log(O/H) < 8.6）である確率はどの程度か？
• RQ3 GRBの等方的エネルギー放出（E_iso）と母銀河の金属量の間に測定可能な相関があるか？
• RQ4 長期間GRBの金属量の上限は何か？ これは、前身星の進化に関する理論的予測と比較してどうか？
• RQ5 観測された金属量の閾値は、地球における過去の質量絶滅イベントの原因がGRBである可能性を排除できるか？

主な発見

• 5つの局所的GRB母銀河の全てもつて酸素含有量が12 + log(O/H) < 8.6未満であり、これは太陽値のおよそ半分に相当する。これは、通常の星形成銀河と比較して顕著に金属量が低いことを示している。
• 現在の局所的星形成のうち、12 + log(O/H) < 8.6 である銀河で発生する割合は25%未満であり、5つのGRB母銀河がすべてこのような環境にある確率は約0.1%である。
• 5つのGRBの等方的エネルギー放出（E_iso）は、母銀河の酸素含有量が高くなるに従い急激に減少しており、金属量がGRB現象に根本的な物理的役割を果たしている可能性を示唆している。
• データは、宇宙論的GRBの金属量閾値が約0.15 Z⊙であることを支持しており、これは大質量星の進化と角運動量保存に関する理論的モデルと整合する。
• 銀河系は、少なくとも最近数十億年間、金属量が高すぎるため、長期間GRBを発生させられる環境にない。したがって、GRBによる地球の質量絶滅は極めて起こりにくい。
• 結果から、GRBは局所的宇宙における主要な宇宙線源である可能性が低く、大銀河内でのGRBの残骸探索は成功する可能性が低いと示唆される。