[論文レビュー] VLT/X-shooter spectroscopy of the afterglow of the Swift GRB 130606A: Chemical abundances and reionisation at $z\sim6$

O. E. Hartoog, D. Malesani+29 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 94被引用数 43

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 z=5.913 の高赤方偏移ガンマ爆発 GRB 130606A に対して VLT/X-shooter を用いた分光観測を行い、宇宙間媒体（IGM）のイオン化状態とその宿主銀河の元素組成を測定した。IGM は主にイオン化されており、中性水素割合 x_Hi < 0.05（99.7%信頼水準）であると判明した。また、宿主銀河では [Si/Fe] = +0.79 ± 0.13 の高い値を示し、銀河系のダスト吸着と一致しており、金属量は -1.7 < [M/H] < -0.9（太陽値の2–13%）と推定された。

ABSTRACT

The reionisation of the Universe is thought to have ended around z~6, as inferred from spectroscopy of distant bright background sources, such as quasars (QSO) and gamma-ray burst (GRB) afterglows. Furthermore, spectroscopy of a GRB afterglow provides insight in its host galaxy, which is often too dim and distant to study otherwise. We present the high S/N VLT/X-shooter spectrum of GRB130606A at z=5.913. We aim to measure the degree of ionisation of the IGM between 5.025.6. GRBs are useful probes of the ionisation state of the IGM in the early Universe, but because of internal scatter we need a larger statistical sample to draw robust conclusions. The high [Si/Fe] in the host can be due to dust depletion, alpha-element enhancement, or a combination of both. The very high value of [Al/Fe]=2.40+/-0.78 might connected to the stellar population history. We estimate the host metallicity to be -1.7

研究の動機と目的

• GRB 130606A の後光スペクトルにおける Gunn-Peterson の光学的厚さと Lyα の減衰翼を用いて、z ≈ 6 における宇宙間媒体（IGM）のイオン化状態を測定すること。
• H、Al、Si、Fe およびその他の元素の吸収線フィッティングにより、GRB 130606A の宿主銀河における元素組成とダスト含量を特定すること。
• GRB 後光と既存の放射場によるイオン化補正を評価し、正確な元素組成測定を保証すること。
• クェーサー吸収スペクトルから示唆されるように、z ≈ 6 における IGM が主にイオン化されているかどうかを、GRB 後光をバックグラウンドプローブとして用いて検証すること。

提案手法

• VLT/X-shooter を用いて、GRB 130606A 後光の可視光および近赤外波長域で高信噪比・高分解能分光観測を実施した。
• UV連続スペクトルをパワー則フィッティングにより外挿し、固有のフラックスを推定し、Lyα、β、γ 吸収特徴に起因するフラックス減衰を測定した。
• Lyα線の赤方減衰翼の形状をフィッティングして、IGM 内の中性水素割合（x_Hi）を制約した。
• 金属吸収線（H、Al、Si、Fe、C、O、S、Ni）に対してボイグループフィッティングを適用し、柱密度と元素比を導出した。
• GRB 後光（<0.03 dex と無視できる）および既存の放射場（サブ-DLA研究に基づき最大 0.4 dex）によるイオン化補正を推定した。
• ダスト吸着と α 電子の過剰を用いて、ダスト対金属比と宿主銀河の金属量を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 130606A の Lyα 減衰翼を用いて、赤方偏移 z ≈ 6 における宇宙間媒体（IGM）のイオン化状態は何か？
• RQ2 後光スペクトルにおける金属吸収線から、GRB 130606A の宿主銀河における元素組成とダスト含量は何か？
• RQ3 GRB 後光および既存の放射場によるイオン化補正は、導出された金属元素組成にどの程度顕著な影響を及ぼすか？
• RQ4 クェーサー吸収スペクトルが示唆するように、z ≈ 6 における IGM は主にイオン化されているとされるが、GRB 後光データはこれを裏付けているか？
• RQ5 観測された元素組成パターンは、銀河系に類似したダスト対金属比を支持するか？

主な発見

• IGM 内の中性水素割合は 3σ の有意水準で x_Hi < 0.05 に制限され、z ≈ 6 における IGM が主にイオン化されていることが示された。
• 赤方偏移範囲 5.02 < z < 5.84 の Gunn-Peterson の光学的厚さには顕著な固有の散らばりが認められ、測定誤差よりも大きいことから、この時代における IGM イオン化状態に強い空間的変動がある可能性が示唆された。
• 宿主銀河では [Si/Fe] = +0.79 ± 0.13 の高い値を示し、ダスト対金属比が銀河系と同程度であればダスト吸着と整合的である。
• アルミニウムの元素組成は非常に高く、[Al/H] = +0.31 ± 0.78 および [Al/Fe] = +2.40 ± 0.78 であり、これは大質量星の核融合や高い Al/Fe 生成率による元素豊度の増加を示唆している。
• 宿主銀河の金属量は -1.7 < [M/H] < -0.9（太陽値の2–13%）と推定され、高赤方偏移におけるダミー Lyα 吸収体の質量-金属量関係の途切れと整合的である。
• GRB 後光によるイオン化補正は無視できる程度（<0.03 dex）であるが、既存の放射場による補正は最大 0.4 dex に達する可能性があり、高赤方偏移研究においては注意深いモデリングが不可欠であることが強調された。