[논문 리뷰] High Metallicity LGRB Hosts

J. F. Graham, A. S. Fruchter외 10명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 02.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 오랫동안 낮은 금속성 환경에서만 발생한다고 여겨진 장수명 감마선 폭발(LGRBs)이 고금속성 은하에서 드물게 관측되는 현상을 조사하며, LGRB가 반드시 낮은 금속성 환경에서만 형성된다는 오래된 이론에 도전한다. LGRB 051022와 LGRB 020819B의 깊은 영상 촬영 및 스펙트로스코피를 통해 저자들은 이 폭발들이 태양과 유사한 금속성(12+log(O/H) ≈ 8.6–8.7)을 가진 은하에서 발생하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 고금속성 환경에서의 LGRB 형성이 가능하지만 드물게 일어나며, 금속성에 의존하지 않는 경로가 존재할 수 있음을 시사한다. 이 경로는 이중성 상호작용과 관련이 있을 수 있다.

ABSTRACT

We present our imaging and spectroscopic observations of the host galaxies of two dark long bursts with anomalously high metallicities, LGRB 051022 and LGRB 020819B, which in conjunction with another LGRB event with an optical afterglow comprise the three LGRBs with high metallicity host galaxies in the Graham & Fruchter (2013) sample. In Graham & Fruchter (2013), we showed that LGRBs exhibit a strong and apparently intrinsic preference for low metallicity environments (12+log(O/H) < 8.4 in the KK04 scale) in spite of these three cases with abundances of about solar and above. These exceptions however are consistent with the general star-forming galaxy population of comparable brightness & redshift. This is surprising: even among a preselected sample of high metallicity LGRBs, were the metal aversion to remain in effect for these objects, we would expect their metallicity to still be lower than the typical metallicity for the galaxies at that luminosity and redshift. Therefore we deduce that it is possible to form an LGRB in a high metallicity environment although with greater rarity. From this we conclude that there are three possible explanations for the presence of the LGRBs observed in high metallicity hosts as seen to date: (1) LGRBs do not occur in high metallicity environments and those seen in high metallicity hosts are in fact occurring in low metallicity environments that have become associated with otherwise high metallicity hosts but remain unenriched. (2) The LGRB formation mechanism while preferring low metallicity environments does not strictly require it resulting in a gradual decline in burst formation with increasing metallicity. (3) The typical low metallicity LGRBs and the few high metallicity cases are the result of physically different burst formation pathways with only the former affected by the metallicity and the later occurring much more infrequently.

연구 동기 및 목표

• 장수명 감마선 폭발(LGRBs)이 낮은 금속성 환경을 선호하는 것으로 알려진 것과는 대조적으로 고금속성 은하에서 발생하는 원인을 조사한다.
• 관측된 고금속성 LGRB 은하가 진정으로 고금속성인지, 아니면 일반적으로 고금속성인 은하 내부의 국소적 낮은 금속성 영역에 의한 오염으로 인한 것인지 확인한다.
• 표준 낮은 금속성 경로와는 다를 만한 메커니즘을 통해 고금속성 환경에서도 LGRB 형성이 가능할지 평가한다.
• 높은 금속성 별에서 강화된 질량 손실에도 불구하고 이중성 동반자가 제트 형성에 어떻게 기여할 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• Gemini/GMOS, Keck/NIRSPEC, 그리고 허블 우주 망원경을 사용하여 LGRB 051022와 LGRB 020819B의 은하 주변을 깊이 있는 영상 촬영 및 스펙트로스코피 분석을 수행하였다.
• KK04 척도를 사용하여 산소 농도를 측정하여 은하의 금속성을 평가하였으며, 12+log(O/H) ≈ 8.6–8.7로 나타나 태양 또는 태양에 가까운 값임을 확인하였다.
• 폭발 사건의 공간 분포를 별 형성 영역과 금속성 기울기와 비교하여, 폭발이 낮은 금속성 지역에서 발생하는지 검증하였다.
• z > 0.8에서 공간적으로 해상도가 높은 금속성 측정을 위해 레이저 가이드 스타 적응 광학과 적외선 적층 단위 스펙트로스코피를 제안하였다.
• 고적색에서 대기 시야 왜곡 문제를 극복하기 위해 조절 가능한 좁은 대역 ACS 램프 필터와 IFU 관측을 조합할 것을 제안하였다.
• 이중성 진화 경로가 높은 금속성 원천을 스핀업시켜 질량 손실이 강화된 상황에서도 제트 형성 가능성을 제공할 수 있는 잠재적 메커니즘으로 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장수명 감마선 폭발은 고금속성 환경에서 형성될 수 있는가, 아니면 국소적 낮은 금속성 영역으로 인한 오인된 식별 때문인가?
• RQ2 LGRB 형성 메커니즘은 엄격하게 낮은 금속성에 의존하는가, 아니면 금속성 증가에 따라 폭발 빈도가 점진적으로 감소하는가?
• RQ3 고금속성 LGRB는 일반적인 낮은 금속성 LGRB와 물리적으로 다른 메커니즘으로 형성되는가?
• RQ4 고금속성 시스템에서의 이중성 상호작용은 금속성 제약을 우회하기 위해 제트 콘두이징에 필요한 각운동량을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• LGRB 051022와 LGRB 020819B는 12+log(O/H) ≈ 8.6–8.7의 금속성을 가지며, 태양 또는 태양에 가까운 금속성을 가지는 은하에 위치해 있음을 확인하였으며, 이는 일반적으로 LGRB 은하가 선호하는 낮은 금속성 환경과 정면으로 배치된다.
• 이 두 고금속성 LGRB 은하는 유사한 빛의 세기와 적색이동을 가진 일반적인 별 형성 은하의 일반 인구와 일치하며, 낮은 금속성으로의 특별한 경향이 없음을 시사한다.
• 이러한 고금속성 LGRB의 존재는 낮은 금속성이 강하게 선호되지만, LGRB 형성에 절대적인 조건은 아니라는 것을 시사한다.
• 저자들은 금속성에 의존하지 않는 형성 경로가 존재할 수 있으며, 이는 이중성 동반자와 관련된 경로일 수 있다고 결론 내리며, 고금속성 환경에서의 드문 LGRB 발생을 설명할 수 있을 것으로 보고 있다.
• 폭발이 은하 내부의 낮은 금속성 영역에서 발생하는지, 아니면 일반적인 LGRB 은하에서 관찰되는 고금속성 별 형성 영역에서 발생하는지 확인하기 위해 공간적으로 해상도가 높은 스펙트로스코피를 권장한다.
• 저자들은 이중성 상호작용이 고금속성 원천을 스핀업시켜 질량 손실이 강화된 상황에서도 제트 형성 가능성을 제공할 수 있으며, 이는 표준 단일 별 모델의 타당한 대안이 될 수 있다고 가설을 제시한다.