[논문 리뷰] High-Ion Absorption in Seven GRB Host Galaxies at z=2-4: Evidence for both Circumburst Plasma and Outflowing Interstellar Gas

Andrew J. Fox, C. Ledoux외 3명|ArXiv.org|2008. 09. 19.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 102인용 수 54

한 줄 요약

이 연구는 z=2–4 범위의 고레드시프트 감마선 폭발(그레트 레이저 브레이크, GRB) 후광 7개에 대한 고해상도 VLT/UVES 스펙트로스코피를 사용하여 GRB 은하계의 이온화된 가스를 조사한다. 고이온 흡수 피크를 통해 원추형 주변 플라즈마와 유동하는 간성간 가스를 식별하였으며, 주요 증거로는 N v, C iv, Si iv, O vi 프로파일이 월프-레일리트 풍 모델과 은하 외부 유동의 운동학적 및 이온화 서명과 일치함을 보였다.

ABSTRACT

(Abridged) We use VLT/UVES high-resolution optical spectroscopy of seven GRB afterglows at z_GRB>2 to investigate circumburst and interstellar plasma in the host galaxies. Our sample consists of GRBs 021004, 050730, 050820, 050922C, 060607, 071031, and 080310. Four of these spectra were taken in rapid-response mode, within 30 minutes of the Swift GRB detection. We identify several distinct categories of high-ion absorption at velocities close to z_GRB: (i) Strong high-ion components at z_GRB itself are always seen in OVI, CIV, and SiIV, and usually (in 6 of 7 cases) in NV. We discuss circumburst and interstellar models for the origin of this absorption. Using the non-detection of SIV* toward GRB 050730 together with a UV photo-excitation model, we place a lower limit of 400 pc on the distance of the SIV-bearing gas from the GRB. (ii) Complex, multi-component CIV and SiIV profiles extending over 100-400 km/s around z_GRB are observed in each spectrum; these velocity fields are similar to those measured in damped Lyman-alpha systems at similar redshifts, suggesting a galactic origin. (iii) Asymmetric, blueshifted, absorption-line wings covering 65-140 km/s are seen in the CIV, SiIV, and OVI profiles in 4 of the 7 spectra. The wing kinematics together with the observation that two wings show "Galactic" CIV/SiIV ratios suggest these features trace outflowing ISM gas in the GRB host galaxies. (iv) High-velocity (HV; 500-5000 km/s) components are detected in 6 of the 7 spectra. The HV components show diverse properties. In the cases of GRBs 071031 and 080310, both the ionization level (very high CIV/SiIV ratios and absence of neutral-phase absorption) and the kinematics of the HV components can be explained by Wolf-Rayet winds from the GRB progenitors.

연구 동기 및 목표

• 고레드시프트 GRB 은하계의 간성간 매질(ISM)과 원추형 주변 환경에서의 고이온 흡수(O vi, N v, C iv, Si iv, S iv, S vi)의 성격을 조사하기 위해.
• 운동학적 및 이온화 진단을 통해 원추형 주변 플라즈마와 간성간 가스 기여도를 구분하기 위해.
• GRB 후광 스펙트럼에서 관측된 고속도(500–5000 km s⁻¹) 흡수 성분의 기원을 규명하기 위해.
• 은하 외부 유동과 월프-레일리트 풍 모델이 관측된 고이온 종의 이온화 및 운동학을 설명하는 데 기여하는 바를 평가하기 위해.
• UV 광자 여기화 모델링과 S iv∗ 비검출을 통해 S iv 흡수 가스가 GRB에서의 거리를 제약 조건화하기 위해.

제안 방법

• Swift 트리거 이후 몇 분 내로 VLT/UVES 분광계를 사용하여 7개의 GRB 후광에 고해상도(6.0 km s⁻¹ FWHM) 광학 스펙트럼을 확보하였다.
• 고이온 종(O vi, N v, C iv, Si iv, S iv, S vi)의 흡수 프로파일을 모델링하기 위해 보이그-프로파일 성분 피팅을 수행하였다.
• 관측된 S iv 열량 밀도와 S iv∗에 대한 상한선을 비교하여 S iv 흡수 가스가 GRB에서의 거리를 추정하기 위해 광자 여기화 모델을 사용하였다.
• 이온화 비율(e.g., C iv/Si iv)과 선 프로파일 비대칭성을 분석하여 은하 ISM 및 외부 유동 가스 성분을 구분하였다.
• C iv/Si iv 비율과 중성상태 선(Si ii, C ii)의 부재를 통해 고속도 성분(500–5000 km s⁻¹)의 이온화 조건을 평가하였다.
• 원추형 주변 기원 가설을 시험하기 위해 월프-레일리트 풍 모델을 사용하여 고속도 성분의 운동학 및 이온화 구조를 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 은하계의 적색시프트에서 강한 고이온 흡수(O vi, C iv, Si iv, N v)의 기원은 무엇인가?
• RQ2 C iv, Si iv, O vi에서 관측된 비대칭적이고 블루시프트된 흡수 날개는 GRB 은하계의 유동하는 간성간 가스를 추적하는가?
• RQ3 C iv에서 관측된 고속도(500–5000 km s⁻¹) 흡수 성분은 주로 원추형 주변 플라즈마인지 혹은 전경 은하인지?
• RQ4 월프-레일리트 풍 모델은 GRB 071031 및 080310의 고속도 성분의 운동학 및 이온화 상태를 설명할 수 있는가?
• RQ5 UV 광자 여기화 모델링을 통해 S iv 흡수 가스가 GRB에서의 거리에 대해 어떤 제약 조건을 줄 수 있는가?

주요 결과

• z_GRB에서 O vi, C iv, Si iv에 강한 고이온 흡수가 일관되게 관측되었으며, N v는 7개 중 6개에서 검출되어 밀도가 높고 극도로 이온화된 환경임을 시사한다.
• GRB 050730의 경우, S iv 흡수 가스가 GRB에서 최소 400 pc 이상 떨어져 있음을 추정하였으며, 이는 원추형 주변 기원보다 간성간 기원을 지지한다.
• 7개 스펙트럼 중 4개에서 C iv, Si iv, O vi에 비대칭적이고 블루시프트된 흡수 날개(65–140 km s⁻¹ 범위)를 관측하였으며, C iv/Si iv 비율 약 3은 은하 외부 유동과 일치한다.
• 날개 부분의 O vi 열량 밀도는 은하수 헬로의 평균보다 약 5배 높으며, 기울기 dN/dv는 5–10배 더 급격하여 질량 외부 유동률이 증가한 것으로 나타났다.
• 7개 스펙트럼 중 6개에서 C iv에 고속도 성분(500–5000 km s⁻¹)을 관측하였으며, GRB 071031 및 080310에서는 높은 C iv/Si iv 비율과 중성상태 흡수의 부재로 인해 원추형 주변 기원이 지배적임을 지지한다.
• 월프-레일리트 풍 모델은 GRB 071031 및 080310의 고속도 성분의 운동학 및 이온화 수준을 성공적으로 재현하였으며, 이는 원천 기원에 의해 유도된다는 강력한 증거를 제공한다.