[논문 리뷰] Host galaxies of long gamma-ray bursts in the Millennium Simulation

Nora Elisa Chisari, P. B. Tissera외 1명|Data Archiving and Networked Services (DANS)|2010. 05. 21.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 91인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 밀레니엄 시뮬레이션을 사용하여 장수간성파(γ-ray burst, LGRB)의 주계성은 별의 질량과 금속성에 제약을 두고 시뮬레이션한다. 관측 가능한 LGRB 주계성은 $10^{11}$–$10^{11.5}$ M⊙의 다크 물질 환경에서 선호적으로 존재하며, $10^{8.5}$–$10^{10.3}$ M⊙의 항성 질량과 $0.6\,{\rm Z_\odot}$ 이하의 금속성을 가지며, 적색편이에 따라 관측된 성질과 일치한다.

ABSTRACT

(abridged) In this work, we investigate the nature of the host galaxies of long Gamma-Ray bursts (LGRBs) using a galaxy catalogue constructed from the Millennium Simulation. We developed an LGRB synthetic model based on the hypothesis that these events originate at the end of the life of massive stars following the collapsar model, with the possibility of including a constraint on the metallicity of the progenitor star. A complete observability pipeline was designed to calculate a probability estimation for a galaxy to be observationally identified as a host for LGRBs detected by present observational facilities. This new tool allows us to build an observable host galaxy catalogue which is required to reproduce the current stellar mass distribution of observed hosts. This observability pipeline predicts that the minimum mass for the progenitor stars should be ~75 solar masses in order to be able to reproduce BATSE observations. Systems in our observable catalogue are able to reproduce the observed properties of host galaxies, namely stellar masses, colours, luminosity, star formation activity and metallicities as a function of redshift. At z>2, our model predicts that the observable host galaxies would be very similar to the global galaxy population. We found that ~88 per cent of the observable host galaxies with mean gas metallicity lower than 0.6 solar have stellar masses in the range 10^8.5-10^10.3 solar masses in excellent agreement with observations. Interestingly, in our model observable host galaxies remain mainly within this mass range regardless of redshift, since lower stellar mass systems would have a low probability of being observed while more massive ones would be too metal-rich. Observable host galaxies are predicted to preferentially inhabit dark matter haloes in the range 10^11-10^11.5 solar masses, with a weak dependence on redshift.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 시뮬레이션을 통해 장수간성파(LGRB) 주계성의 물리적 성질을 이해하기 위해.
• LGRB의 원천 별이 콜라프서 모델에 따라 고금속성의 거대 별일 것이라는 가설을 검증하기 위해.
• 현재의 관측 시설이 사용 가능한 LGRB 주계성을 감지할 수 있는 가능성을 예측하는 관측 가능성 파이프라인을 개발하기 위해.
• 관측된 LGRB 주계성의 항성 질량 분포를 재현하고, 금속성과 성별 형성의 역할을 평가하기 위해.
• 우주의 시간에 따라 관측 가능한 LGRB 주계성의 환경적 및 환경 질량 의존성을 조사하기 위해.

제안 방법

• 콜라프서 시나리오에 기반한 합성 LGRB 모델을 구축하여, 원천 별이 질량과 금속성에 제약을 받는 거대 별이라고 가정한다.
• 완전한 관측 가능성 파이프라인은 감지 가능성이 있는 은하가 LGRB 주계성으로서 감지될 확률을 계산하며, 플럭스 한계와 감지 임계값을 포함한다.
• 반경분석 모델을 사용하여 밀레니엄 시뮬레이션 카탈로그에서 은하 성질(항성 질량, 항성 형성률, 금속성, 휘도, 색상)을 유도한다.
• 잠재적 주계성을 선별하기 위해 $0.6\,{\rm Z_\odot}$의 금속성 임계값을 적용하며, 먼지 효과에 대한 민감도를 고려한다.
• 다크 물질 환경 질량과 환경 밀도를 추적하여 주계성 은하의 군집화와 공간 분포를 평가한다.
• 결과는 다양한 적색편이에서 관측된 LGRB 주계성 성질(항성 질량 함수, 항성 형성률, 금속성 등)과 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측 가능한 LGRB 주계성의 항성 질량 범위는 무엇이며, 현재의 관측 결과와 일치하는가?
• RQ2 원천 별의 금속성이 관측 가능성과 LGRB 주계성의 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 관측 가능한 LGRB 주계성의 선호되는 다크 물질 환경 질량 범위는 무엇이며, 적색편이에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 우주의 시간에 따라 관측 가능한 LGRB 주계성의 항성 형성률과 색상은 전반적인 은하 집단과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 관측 가능한 LGRB 주계성을 다른 은하들과 구별하는 환경적 및 형태적 특성은 무엇인가?

주요 결과

• 모델은 감지 가능한 LGRB의 최소 원천 별 질량이 약 $75\,{\rm M_\odot}$임을 예측하며, BATSE 관측 결과와 일치한다.
• 관측 가능한 LGRB 주계성의 88%는 $10^{8.5}$에서 $10^{10.3}\,{\rm M_\odot}$ 사이의 항성 질량을 가지며, 관측된 분포와 일치한다.
• 관측 가능한 주계성은 $10^{11}$–$10^{11.5}\,{\rm M_\odot}$의 다크 물질 환경에서 선호적으로 존재하며, 적색편이 의존성이 거의 없다.
• 적색편이 $z>2$에서는 관측 가능한 주계성이 환경과 밀도 면에서 전반적인 은하 집단과 유사하지만, 가까운 이웃 은하를 지닌 확률이 略로 높다.
• 모든 적색편이에서 관측 가능한 주계성의 항성 형성률은 전반적인 은하 집단보다 높으며, $z<2$에서는 뚜렷한 초과가 있어 평균적으로 더 파란 색을 띤다.
• 모델은 LGRB 원천 별에 대해 $0.6\,{\rm Z_\odot}$의 금속성 임계값을 지지하며, GRB-DLA 관측 결과로 인해 더 낮은 값이 가능할 수 있음을 시사한다.