[論文レビュー] The highest redshift gamma-ray bursts

N. R. Tanvir|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、z > 6 の高赤方偏移ガンマ線バースト（GRB）の検出とその意義をレビューしており、初期の星形成および再電離を調べる強力なプローブとして機能する。後発光の光度測定と分光測定、特にライマン＝アルファのブレークと金属吸収線を用いて、この研究は、わずかなGRB後発光ですら正確な赤方偏移と環境診断を可能にすることを示している。これにより、初期宇宙における国際間媒体（IGM）および電離化放射の脱出率に関する制約が得られ、特に z ≈ 8.5 の GRB 120923A と z = 6.3 の GRB 050904 からの主要な結果が得られた。

ABSTRACT

I review the searches for gamma-ray bursts at very high redshift. Although the numbers of GRBs known at z>6 remain few, even small samples can provide information about early star and galaxy formation in the universe which is very hard to obtain by any other means.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移 GRB が、宇宙における初期の銀河形成および再電離を調べるプローブとして果たす役割を評価すること。
• ハッブル宇宙望遠鏡の検出限界以下にあることが多く、高赤方偏移銀河の検出が困難であるという課題に対処すること。
• GRB 後発光が、国際間媒体（IGM）の中性分率および宿主銀河のガス透過率を測定する可能性を評価すること。
• 現在および将来の調査における高赤方偏移 GRB の選択効果と検出可能性を調査すること。
• 30mクラス望遠鏡およびジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を含む、将来的なミッションと観測を促進し、高赤方偏移 GRB 宿主銀河の深さのあるフォローアップを可能にすること。

提案手法

• ブルー側のバンドでドロップアウト源と赤みの強いバンドで青い連続スペクトルの傾きを示す源に注目し、光学および近赤外（nIR）光度測定を用いて高赤方偏移 GRB を特定する。
• ライマン＝アルファのブレークの分光的検出を用いて、確認された高赤方偏移 GRB の明確な赤方偏移を取得する。
• 分光測定が利用できない場合に、パワー法則スペクトルの単純さを活かして、崩壊的誤差を低減する光度赤方偏移技術を適用する。
• 後発光のスペクトルエネルギー分布（SED）を、パワー法則形で表現し、ライマン＝アルファのブレークによって減衰させることで、赤方偏移を推定する。GRB 120923A では z ≈ 8.5 でその例示がなされた。
• 高信噪比分光スペクトルを分析して、国際間媒体（IGM）と宿主銀河の星間媒体（ISM）の寄与を分離し、中性水素分率および電離化放射の脱出率を測定する。
• 金属吸収線を用いて宿主銀河の金属量を導出し、元素組成の決定における HI 組織密度の影響を補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、光度測定および分光測定技術を用いて高赤方偏移 GRB を信頼性高く同定し、赤方偏移を測定できるか？
• RQ2 高赤方偏移 GRB 後発光は、国際間媒体（IGM）の中性分率および宇宙の再電離の進行具合をどの程度制約できるか？
• RQ3 GRB 後発光分光測定から、高赤方偏移の星形成銀河からの電離放射の脱出率の分布はどのようなものか？
• RQ4 高赤方偏移 GRB のrestフレーム特性は、低赤方偏移のものとどのように異なり、これは選択効果にどのような含意を持つのか？
• RQ5 将来の30mクラス望遠鏡およびJWSTは、微弱な高赤方偏移 GRB 後発光の正確な分光測定を可能にし、初期宇宙の環境を詳しく調べられるか？

主な発見

• GRB 120923A は、光度赤方偏移で約 z ≈ 8.5 を示し、これはパワー法則スペクトルがライマン＝アルファのブレークによって減衰している場合に最もよく適合するスペクトルエネルギー分布（SED）によって裏付けられている。
• 高赤方偏移 GRB（z > 6）のサンプルは、低赤方偏移 GRB と同じ本質的集団から抽出されているように見えるため、観測されたサンプルに強い内在的バイアスがないことが示唆される。
• 検出率が低くても、GRB 050904（z = 6.3）の分光的解析により、IGM 中性分率および宿主 HI 組織密度が成功裏に測定され、このような診断手法の実現可能性が示された。
• 銀河よりも高赤方偏移 GRB の光度赤方偏移は、パワー法則スペクトルの単純さのおかげでより頑健であり、崩壊的誤差のリスクが低減される。
• 深紫外のハッブル宇宙望遠鏡画像で宿主銀河が検出されないことは、z > 6 での星形成の大部分が微弱で検出不能な銀河で起こっているという予想と整合的である。
• 将来の30mクラス望遠鏡およびJWSTの観測により、微弱な高赤方偏移 GRB 後発光の正確な分光測定が可能になると予想され、初期宇宙の状態に関する詳細な知見が得られるようになる。