[논문 리뷰] GRBs 070429B and 070714B: The High End of the Short-Duration Gamma-Ray Burst Redshift Distribution

S. B. Cenko, E. Berger외 12명|ArXiv.org|2008. 02. 07.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 GRB 070429B와 070714B의 호스트 은하계를 광학 스펙트로스코피로 분석하여, [O II] λ3727 선 방출을 통해 둘 다 적색편이 z ≈ 0.9로 확인하였다. 이 결과는 z > 0.7에서 상당수의 단기성 GRB가 존재함을 확인하며, 좁은 지연시간 분포를 가진 이전 모델에 도전하며, 더 높은 등방성 에너지와 더 넓은 원천 지연 시간을 암시한다.

ABSTRACT

We present optical spectra of the host galaxies of the short-duration gamma-ray burst GRB 070429B and the likely short-duration with extended emission GRB 070714B. In both cases, we find a single emission line that we identify as O II lambda 3727 at z ~ 0.9. Both events are more distant than any previous short-duration GRB with a secure host association from the sub-arcsecond position of an optical afterglow. GRBs 070429B and 070714B provide strong evidence in support of our previous claims in Berger et al. that a significant fraction of short-duration hosts (>~ 33%) reside at z > 0.7. We discuss the implications of the existence this population on the energetics of short-duration GRBs, as well as on progenitor models. In the context of the degenerate binary merger scenario, such events require progenitor systems with a range of lifetimes and disfavor progenitor models with a long, narrow lifetime distribution.

연구 동기 및 목표

• GRB 070429B와 GRB 070714B의 단기성 GRB에 대한 호스트 은하계의 적색편이를 광학 스펙트로스코피를 통해 결정하기 위해.
• 안정적인 호스트 연관성과 스펙트로스코픽 적색편이를 바탕으로 고적색편이(z > 0.7)에서 단기성 GRB의 비율을 평가하기 위해.
• 고적색편이 단기성 GRB가 단기성 GRB의 에너지 및 원천 모델에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 특히 원천 지연 시간과 은하 형성률에 관해, 압축 이진 병합 모델과 관측된 호스트 성질의 일관성을 평가하기 위해.

제안 방법

• Keck I 망원경의 LRIS 장치를 사용하여 GRB 070429B와 GRB 070714B의 호스트 은하계 광학 스펙트럼을 확보하였다.
• 스펙트럼 내 [O II] λ3727 방출선의 검출을 통해 적색편이를 확인하였으며, 두 사건 모두 z ≈ 0.9로 도출되었다.
• 이러한 결과를 이전에 알려진 안정적인 호스트 연관성과 적색편이를 가진 단기성 GRB 샘플과 융합하여 z > 0.7에서의 비율을 추정하였다.
• 표준 천체역학 보정을 적용하여, 일시적 복사량과 적색편이를 사용해 등방성 감마선 에너지(Eγ,iso)를 계산하였다.
• 호스트 빛의 세기와 은하계 질량 추정치를 사용하여 특정 별 형성률(SSFR)을 추정하였다.
• 특히 로그노멀 지연시간 분포를 가진 모델을 중심으로, 관측된 지연 시간과 적색편이 분포가 압축 이진 병합 모델과 얼마나 일치하는지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 070429B와 GRB 070714B의 호스트 은하계 적색편이는 무엇이며, 이는 고적색편이 단기성 GRB의 존재를 확인하는가?
• RQ2 단기성 GRB 중 z > 0.7에 위치한 비율은 얼마이며, 이는 추정된 에너지 및 원천 지연 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 고적색편이 호스트의 등방성 에너지 방출 및 별 형성률은 근접한 단기성 GRB 호스트와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 이 관측 결과는 압축 이진 병합 모델, 특히 지연시간 분포의 형태와 넓이에 대해 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 GRB 070429B와 GRB 070714B의 관측된 성질은 중성미자-반중성미자 상호작용 이외의 에너지 추출 메커니즘을 선호하는가?

주요 결과

• GRB 070429B와 GRB 070714B의 호스트 은하계는 [O II] λ3727 방출선 식별을 통해 적색편이 z ≈ 0.9로 확인되었다.
• GRB 070429B의 등방성 일시적 에너지 방출은 Eγ,iso = 1.4 ± 0.2 × 10^50 erg이며, GRB 070714B는 1.2 ± 0.1 × 10^51 erg로, 대부분의 근접한 단기성 GRB보다 뚜렷이 높다.
• z ≈ 0.9이므로, 두 사건 모두 광학 후광 위치에서 안정적인 호스트 연관성을 가진 이전의 어떤 단기성 GRB보다 더 멀리 떨어져 있다.
• 광학 후광와 안정적인 적색편이를 가진 단기성 GRB 샘플에는 이제 z > 0.7에 위치한 세 사건이 포함되어 있으며, 이는 샘플의 33%를 차지한다. 만약 더 흐린 호스트도 z > 0.7에 있다면 잠재적 상한선은 56%까지 올라간다.
• GRB 070429B의 특정 별 형성률은 근접한 단기성 GRB 호스트와 장기성 GRB 호스트 사이의 중간 수준이지만, GRB 070714B의 SSFR은 장기성 인구와 더 일치하지만 큰 불확실성이 수반된다.
• 결과는 특성 지연 시간(τ ≈ 4 Gyr)이 짧고 지연시간 분포가 넓은 모델(σ ≈ 1)을 장기적이고 좁은 분포(τ ≈ 6 Gyr, σ ≈ 0.3)를 가진 모델보다 선호한다.