[논문 리뷰] A Surprising Lack of LGRB Metallicity Evolution with Redshift

J. F. Graham, P. Schady외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 04.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 적색편이 z = 2.5까지의 장수명 감마선 폭발(LGRB) 호스트 은하를 분석하여 금속성 분포에 유의미한 진화가 없음을 발견하였다. 모든 적색편이에서 약 25%의 호스트가 높은 금속성(12+log(O/H) > 8.4)을 유지하고 있다. 이 결과는 일반 은하의 진화하는 질량-금속성 관계 예측과 배치되며, LGRB 호스트가 표준 척도관계에 예측된 것보다 체계적으로 더 높은 금속성을 지닌다는 것을 시사하며, 이는 이전 연구에서의 금속성 절단값 추정치 간의 모순을 해결한다.

ABSTRACT

Recent additions to the population of Long-duration Gamma Ray Burst (LGRB) host galaxies with measured metallicities and host masses allow us to investigate how the distributions of both these properties change with redshift. We form a sample out to z of 2.5 which we show does not have strong redshift dependent populations biases in mass and metallicity measurements. Using this sample, we find a surprising lack of evolution in the LGRB metallicity distribution across different redshifts and in particular the fraction of LGRB hosts with relatively high-metallicity, that is those with 12+log(O/H) > 8.4, remains essentially constant out to z = 2.5. This result is at odds with the evolution in the mass metallicity relation of typical galaxies, which become progressively more metal poor with increasing redshift. By converting the measured LGRB host masses and redshifts to expected metallicities using redshift appropriate mass-metallicity relations, we further find that the increase in LGRB host galaxy mass distribution with redshift seen in the Perley et al. (2016) SHOALS sample is consistent with that needed to preserve a non-evolving LGRB metallicity distribution. However, the estimated LGRB host metallicity distribution is at least a quarter dex higher at all redshifts than the measured metallicity distribution. This corresponds to about a factor of two in raw metallicity and resolves much of the difference between the LGRB host metallicity cutoffs determined by Graham & Fruchter (2017) and Perley et al. (2016). As LGRB hosts do not follow the general mass metallicity relations, there is no substitute for actually measuring their metallicities.

연구 동기 및 목표

• 적색편이 z = 2.5까지의 장수명 감마선 폭발(LGRB) 호스트 은하의 금속성 분포가 진화하는지 여부를 조사하기 위해.
• 질량 및 금속성 측정에서의 선택 편향이 LGRB 호스트 샘플의 신뢰성에 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 다양한 적색편이에서 관측된 LGRB 호스트 금속성과 표준 은하 질량-금속성 관계에 의한 예측값을 비교하기 위해.
• 이전 연구들(Graham & Fruchter 2017; Perley et al. 2016)에서 보고된 LGRB 호스트 금속성 절단값 간의 모순을 해결하기 위해.

제안 방법

• 적색편이 z = 2.5까지의 LGRB 호스트 은하 샘플을 구축하였으며, 질량 및 금속성 측정에서 적색편의존 편향이 최소화되도록 하였다.
• 적색편에 적합한 질량-금속성 관계를 사용하여, 측정된 질량과 적색편에 기반해 LGRB 호스트의 예상 금속성을 예측하였다.
• 관측된 LGRB 호스트 금속성 분포를 표준 질량-금속성 관계에 의한 예측값과 비교하였으며, 일반 은하의 관측 분포와도 비교하였다.
• 관측된 LGRB 호스트 금속성과 예측값 간의 오프셋을 정량화하였으며, 모든 적색편에서 약 0.25 dex 높은 금속성을 일관되게 관측하였다.
• Perley et al. (2016)의 SHOALS 샘플에서 관측된 질량 진화가 비진화하는 금속성 분포와 일관된지를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적색편이 z = 2.5까지 LGRB 호스트 은하의 금속성 분포가 진화하는가?
• RQ2 다양한 적색편이에서 관측된 LGRB 호스트 금속성은 표준 은하 질량-금속성 관계에 의한 예측값과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 왜 이전 연구들은 LGRB 호스트의 금속성 절단값에 대해 상반된 결과를 보였는가?
• RQ4 관측된 LGRB 호스트 질량의 적색편 증가가 금속성 진화가 없는 현상을 설명하는 데 충분한가?
• RQ5 LGRB 호스트는 일반 은하의 질량-금속성 관계에서 얼마나 벗어나 있는가?

주요 결과

• 적색편이 z = 0에서 z = 2.5까지 LGRB 호스트 중 높은 금속성(12+log(O/H) > 8.4)을 가지는 비율이 약 25%로 거의 일정하게 유지되며, 이는 금속성 진화가 없음을 시사한다.
• 관측된 LGRB 호스트 금속성 분포는 각 적색편에서 표준 질량-금속성 관계에 의한 예측값보다 최소 0.25 dex 높으며(원시 금속성 기준 약 2배), 체계적으로 더 높은 금속성을 지닌다.
• Perley et al. (2016)의 SHOALS 샘플에서 보고된 LGRB 호스트 질량의 적색편 증가는 적색편에 따른 질량-금속성 관계와 결합할 경우 비진화하는 금속성 분포를 설명하는 데 충분하다.
• 관측된 금속성과 예측값 간의 오프셋은 Graham & Fruchter (2017)와 Perley et al. (2016) 간의 LGRB 호스트 금속성 절단값 추정치 간의 주요 모순을 해결한다.
• LGRB 호스트는 일반 은하에서 관측되는 질량-금속성 관계를 따르지 않으며, 정확한 특성 기술을 위해 직접적인 금속성 측정이 필수적임을 시사한다.
• LGRB 호스트의 금속성 진화가 없음은 질량 또는 금속성 측정에서의 선택 편향으로 설명될 수 없으며, 샘플이 강한 적색편 의존성 편향을 보이지 않기 때문이다.