[논문 리뷰] Are LGRBs biased tracers of star formation? Clues from the host galaxies of the Swift/BAT6 complete sample of bright LGRBs. II: star formation rates and metallicities at z < 1

J. Japelj, S. D. Vergani외 22명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 04.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 108인용 수 36

한 줄 요약

이 연구는 스위프트/BAT6 완전 샘플에서 유도된 z < 1인 14개의 밝은 장수간성 감마선 폭발(LGRB)의 호스트 은하를 분석하여 은하 형성의 추적자로서의 적합성을 평가한다. 난방 방출선을 사용하여 저자들은-dust 흡수, 은하 형성률(SFR), 금속성 농도를 측정하며, LGRB 호스트가 높은 금속성에 대한 강한 경향성으로 인해 저금속성, 저질량 은하로 편향되어 있으며, 은하 형성 추적자에 비해 평균적으로 낮은 SFR를 보이는 것으로 밝혀졌다.

ABSTRACT

Long gamma-ray bursts (LGRBs) are associated with the deaths of massive stars and could thus be a potentially powerful tool to trace cosmic star formation. However, especially at low redshifts (z < 1.5) LGRBs seem to prefer particular types of environment. Our aim is to study the host galaxies of a complete sample of bright LGRBs to investigate the impact of the environment on GRB formation. We study host galaxy spectra of the Swift/BAT6 complete sample of 14 z < 1 bright LGRBs. We use the detected nebular emission lines to measure the dust extinction, star formation rate (SFR) and nebular metallicity (Z) of the hosts and supplement the data set with previously measured stellar masses M$_{\star}$. The distributions of the obtained properties and their interrelations (e.g. mass-metallicity and SFR-M$_{\star}$ relations) are compared to samples of field star-forming galaxies.We find that LGRB hosts at z < 1 have on average lower SFRs than if they were direct star-formation tracers. By directly comparing metallicity distributions of LGRB hosts and star-forming galaxies, we find a good match between the two populations up to Z $\sim 8.4-8.5$, after which the paucity of metal-rich LGRB hosts becomes apparent. The LGRB host galaxies of our complete sample are not inconsistent with the mass-metallicity relation at similar mean redshift and stellar masses. The cutoff against high metallicities (and high masses) can explain the low SFR values of LGRB hosts. We find a hint of increased incidence of starburst galaxies in the Swift/BAT6 z < 1 sample with respect to that of a field star-forming population. Given that the SFRs are low on average, the latter is ascribed to low stellar masses. Nevertheless the limits on the completeness and metallicity availability of current surveys, coupled with the limited number of LGRB host galaxies, prevent us from reaching more quantitative conclusions.

연구 동기 및 목표

• z < 1인 장수간성 감마선 폭발(LGRB) 호스트가 우주적 은하 형성의 편향 없는 추적자인지 확인하는 것.
• 호스트 은하 성질—특히 금속성, 항성 질량, SFR—이 LGRB 형성 효율성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• LGRB 호스트의 SFR, 금속성, 항성 질량 분포를 현장의 은하 형성 은하들과 비교하는 것.
• 환경적 편향을 고려할 때, 관측된 LGRB 호스트의 SFR가 은하 형성 기반 기원과 일치하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 스위프트/BAT6 완전 샘플에서 유도된 z < 1인 14개의 LGRB 호스트 은하의 난방 방출선(예: Hα, [O II], [O III])에 대한 분광 분석.
• 방출선 비율을 사용하여 먼지 흡수, 은하 형성률(SFR), 난방 금속성(12 + log(O/H))을 유도하는 것.
• 이전 연구(Paper I, Vergani et al. 2015)에서 확보한 항성 질량(M‹) 자료를 보완하여 질량-금속성 관계 및 SFR-항성 질량 관계와의 비교를 가능하게 하는 것.
• 깊은 탐사(예: VVDS, VIMOS VLT Deep Survey)에서 확보한 현장의 은하 형성 은하들과의 비교를 통해 편향을 평가하는 것.
• 금속성 분포와 SFR, 항성 질량 간의 관계를 통계적으로 분석하며, 질량-금속성 관계 및 SFR–질량 관계에서의 이탈 여부를 검토하는 것.
• 고에너지 GRB 성질(Eγ,iso, Lγ,iso, Eγ,peak)과 호스트 금속성 간의 상관관계를 조사하여 선택 편향 여부를 배제하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z < 1인 LGRB 호스트는 SFR 및 금속성 측면에서 일반적인 은하 형성 은하 집단을 대표하는가?
• RQ2 LGRB 호스트에서 관측된 SFR는 진정한 은하 형성률을 반영하는가, 아니면 환경적 편향으로 인해 억제된 것인가?
• RQ3 LGRB 호스트는 현장 은하에서 관측된 질량-금속성 관계 및 SFR–항성 질량 관계에서 얼마나 벗어나는가?
• RQ4 LGRB 호스트가 저금속성 환경을 선호하는 것이 그들의 낮은 평균 SFR의 원인인가?
• RQ5 LGRB 호스트 집단에서 현장 집단에 비해 은하 형성 폭발 은하의 빈도가 높아졌는지 여부를 확인할 수 있으며, 금속성 편향을 고려한 후에도 SFR 기반 모델과 일치하는가?

주요 결과

• z < 1인 LGRB 호스트는 은하 형성의 직접적인 추적자일 경우 기대되는 것보다 평균적으로 낮은 은하 형성률(SFR)을 보이며, 이는 고SFR 환경을 향한 편향이 있음을 시사한다.
• LGRB 호스트의 금속성 분포는 금속 농도가 높은 은하(12 + log(O/H) > 8.4–8.5)가 뚜렷하게 부족하며, 이 임계값 이상에서 급격한 절단이 관측된다.
• 유사한 적색편이와 항성 질량에서 LGRB 호스트는 질량-금속성 관계와 일치하며, 이는 금속성 편향이 그들의 관측된 성질을 주도하는 주요 원인임을 시사한다.
• LGRB 호스트의 낮은 SFR는 내재된 SFR 억제가 아니라 높은 금속성 및 고질량 은하를 향한 강한 회피 성향의 결과일 가능성이 높다.
• LGRB 호스트 집단에서 현장 집단에 비해 은하 형성 폭발 은하(고특정 SFR)의 빈도가 약간 증가한 흐름이 관측되지만, 이는 실질적인 증가보다는 저질량, 저금속성 시스템에서의 선택 편향 때문일 가능성이 높다.
• 고에너지 GRB 성질(Eγ,iso, Lγ,iso, Eγ,peak)과 호스트 금속성 간에 유의미한 상관관계는 발견되지 않아 샘플 선택이 빛의 세기나 에너지로 인해 편향되지 않았음을 시사한다.