[論文レビュー] The host galaxy of the short GRB111117A at $z = 2.211$: impact on the short GRB redshift distribution and progenitor channels

J. Selsing, T. Krühler+27 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jul 3, 2017

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 129被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、短時間パルス的超新星爆発（sGRB）111117Aの母銀河の分光的赤方偏移 z = 2.211 を報告しており、これはこれまでに確認された中で最も遠方の高信頼性のsGRBである。深い画像および分光観測により、母銀河は明るく、活発に星形成が進行していることが判明し、既知のsGRB母銀河の中で最高のX線由来の水素吸収光学密度を示している。これは、母銀河の明るさが低いことによる検出バイアスが、高赤方偏移sGRBの多くが見逃されている可能性を示唆しており、起源モデルにも影響を与える。

ABSTRACT

It is notoriously difficult to localize short $γ$-ray bursts (sGRBs) and their hosts to measure their redshifts. These measurements, however, are critical to constrain the nature of sGRB progenitors, their redshift distribution and the $r$-process element enrichment history of the universe. Here, we present spectroscopy of the host galaxy of GRB111117A and measure its redshift to be $z = 2.211$. This makes GRB111117A the most distant high-confidence short duration GRB detected to date. Our spectroscopic redshift supersedes a lower, previously estimated photometric redshift value for this burst. We use the spectroscopic redshift, as well as new imaging data to constrain the nature of the host galaxy and the physical parameters of the GRB. The rest-frame X-ray derived hydrogen column density, for example, is the highest compared to a complete sample of sGRBs and seems to follow the evolution with redshift as traced by the hosts of long GRBs (lGRBs). The host lies in the brighter end of the expected sGRB host brightness distribution at $z = 2.211$, and is actively forming stars. Using the host as a benchmark for redshift determination, we find that between 43 and 71 per cent of all sGRB redshifts should be missed due to host faintness for hosts at $z\sim2$. The high redshift of GRB111117A is evidence against a lognormal delay-time model for sGRBs through the predicted redshift distribution of sGRBs, which is very sensitive to high-$z$ sGRBs. From the age of the universe at the time of GRB explosion, an initial neutron star (NS) separation of $a_0 < 3.2~R_\odot$ is required in the case where the progenitor system is a circular pair of inspiralling NSs. This constraint excludes some of the longest sGRB formation channels for this burst.

研究の動機と目的

• 深紫外分光観測を用いて、短時間パルス的超新星爆発（sGRB）111117Aの母銀河の正確な赤方偏移を特定し、以前の光度的推定値を解消すること。
• 母銀河の物理的性質、すなわち星形成率、明るさ、チリ含有量、およびX線吸収の特徴を同定すること。
• 高赤方偏移領域におけるsGRB赤方偏移調査の完全性に、母銀河の明るさがどの程度影響を及えるかを評価すること。
• sGRBの起源モデルを検証するため、GRB 111117Aの高い赤方偏移を用いて遅延時間分布を制約すること。
• 爆発発生時の宇宙の年齢を用いて、中性子星連星の形成時の初期分離距離の制約を導出すること。

提案手法

• ESO/VLT、TNG、Gemini North、GTC望遠鏡を用いて、GRB 111117A領域の深紫外および近赤外画像および分光観測を実施した。
• 母銀河スペクトル内の発光および吸収ラインを用いて分光的赤方偏移を測定し、z = 2.211 を得た。
• X線光曲線のモデリングから、静止系X線由来の水素吸収光学密度（NH）を導出し、完全なsGRB母銀河サンプルの中で最高の値であることが判明した。
• 多波長光度測定からスペクトルエネルギー分布（SED）を構築し、星形成率、星質量、チリ減光を推定した。
• 爆発発生時の宇宙の年齢を用いて、軌道崩壊モデルを適用し、中性子星連星系の初期分離距離を制約した。
• 明るさ関数と検出閾値を比較することで、z ~ 2におけるsGRB母銀河のうち、GRB 111117Aの母銀河と同等に暗い場合、どれだけの割合が検出されないかを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 111117Aの母銀河の真の赤方偏移は何か？ そして、以前の光度的推定値と比較するとどうなるか？
• RQ2 母銀河の物理的性質は何か？ すなわち星形成率、明るさ、チリ含有量は？
• RQ3 GRB 111117Aの高いX線由来の水素吸収光学密度は、sGRB母銀河の広いサンプルと比較してどう異なるか？ これは吸収メカニズムにどのような示唆を与えるか？
• RQ4 現在の調査において、母銀河の明るさが低いことが原因で、高赤方偏移sGRBの多くが見逃されている可能性はどの程度か？
• RQ5 GRB 111117Aの高い赤方偏移は、特に正規分布型とべき乗則型のモデルを比較した場合、sGRB起源の遅延時間分布にどのような制約を課えるか？

主な発見

• GRB 111117Aの母銀河の分光的赤方偏移は z = 2.211 であり、これはこれまでに確認された中で最も遠方の高信頼性のsGRBであることを確認している。
• 母銀河は明るく、z = 2.211 における予想されるsGRB母銀河の明るさ分布の上位側に位置しており、星形成率はsGRB母銀河のSFR分布の上位3分の1に位置する。
• 静止系X線由来の水素吸収光学密度（NH）は、完全なsGRB母銀河サンプルの中で最高であり、長期間パルス的超新星爆発（long GRB）母銀河と同様の赤方偏移依存性を示している。
• 母銀河には顕著なチリ減光は認められず、これは高いNH値が一般的な吸収メカニズムと整合しにくいことを示唆している。
• z ~ 2 におけるsGRB母銀河のうち、43%から71%が、GRB 111117Aの母銀河と同等に暗い場合、検出されない可能性がある。これは現在の赤方偏移調査にバイアスが存在する可能性を示唆している。
• 爆発発生時の宇宙の年齢から、初期中性子星分離距離 a₀ < 3.2 R☉ であると導出され、長時間スケールを要する起源チャネルは除外される。