[논문 리뷰] Metallicity effects on the cosmic SNIb/c and GRB rates

V. Gríeco, F. Matteuccí외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 11.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 나선파고 불규칙은하에서 Wolf-Rayet (WR) 원천의 금속성에 의존하는 최소 질량 조건을 포함하여, Type Ib/c 초신성(SNIb/c) 및 감마선 폭발(GRBs)의 천체적 비율을 모델링한다. 관측 및 이론적 천체적 별 형성 비율(CSFRs)을 사용하여, SNIb/c 사건의 약 ~10⁻⁴만이 GRB를 생성하며, 금속성 효과는 초기 SNIb/c 비율을 크게 감소시키지만 국지적 비율에는 거의 영향을 주지 않음을 보여주며, 특정 광도 가정 하에 GRB가 고적색도 별 형성의 신뢰할 수 있는 추적자임을 확인한다.

ABSTRACT

Supernovae Ib/c are likely to be associated to long GRBs, therefore it is important to compare the SN rate in galaxies with the GRB rate. To do that we computed Type Ib/c SN rates in galaxies of different morphological type by assuming different histories of star formation and different supernova Ib/c progenitors. We included some recent suggestions about the dependence of the minimum mass of single Wolf-Rayet (WR) stars upon the stellar metallicity and therefore upon galactic chemical evolution. We adopted several cosmic star formation rates as functions of cosmic time, either observationally or theoretically derived, including the one computed with our galaxy models. Then we computed the cosmic Type Ib/c SN rates. We derived the following conclusions: i) the ratio cosmic GRB - Type Ib/c rate varies in the range 10^{-2}-10^{-4} in the whole redshift range, thus suggesting that only a small fraction of all the Type Ib/c SNe gives rise to GRBs. ii) The metallicity dependence of Type Ib/c SN progenitors produces lower cosmic SN Ib/c rates at early times, for any chosen cosmic star formation rate. iii) Different theoretical cosmic star formation rates, computed under different scenarios of galaxy formation, produce SN Ib/c cosmic rates which differ mainly at very high redshift. However, it is difficult to draw firm conclusions on the high redshift trend because of the large uncertainties in the data. iv) GRBs can be important tracers of star formation at high redshift if their luminosity function does not vary with redshift and they can help in discriminating among different galaxy formation models.

연구 동기 및 목표

• 나선파고 불규칙은하의 다양한 형상에서 금속성에 의존하는 WR 원천 질량 조건을 사용하여, 천체적 SNIb/c 초신성 비율을 모델링하기 위해.
• 예측된 SNIb/c 비율을 관측된 천체적 GRB 비율과 비교하여, SNIb/c 사건 중 GRB를 생성하는 비율을 제약하기 위해.
• 특히 고적색도에서의 영향을 고려하여, 다양한 천체적 별 형성 비율(CSFR) 역사가 예측된 SNIb/c 및 GRB 비율에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 광도 함수 및 CSFR에 대한 불확실성에도 불구하고, GRB가 고적색도 별 형성의 신뢰할 수 있는 추적자로 기능할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 나선파고 불규칙은하의 화학적 진화 모델을 사용하여, 별 형성 역사 및 원천 가정에 기반한 SNIb/c 비율을 계산하기 위해.
• 높은 금속성에서 WR 형성에 필요한 최소 질량이 증가하는 금속성에 의존하는 단일 WR 별의 최소 질량 조건을 통합하기 위해.
• 이중 시스템의 기여를 고려하여 단일 WR 별과 고질량 이중 시스템을 모두 SNIb/c 원천으로 평가하며, 이중성 비율은 고질량 별의 15%로 설정하기 위해.
• 관측적으로 유도된(예: Cole et al. 2001) 및 이론적으로 유도된 은하 모델에서 유도된 다양한 CSFR을 사용하여, 우주 시간 전반에 걸쳐 천체적 SNIb/c 비율을 계산하기 위해.
• Swift 및 기타 조사에서 관측된 GRB 비율과 예측된 천체적 SNIb/c 비율을 비교하여 GRB/SNIb/c 비율을 유도하기 위해.
• 표준 CSFR 모델이 고적색도 관측을 underpredict하는 상황에서, GRB 광도 함수 가정의 일관성을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나선파고 불규칙은하에서 금속성에 의존하는 WR 원천 질량 임계값이 예측된 천체적 SNIb/c 초신성 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 적색도에 따라 천체적 GRB 비율 대 SNIb/c 비율의 비율은 어떻게 변화하며, 이는 SNIb/c 사건 중 GRB를 생성하는 비율에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 다양한 천체적 별 형성 비율(CSFR) 역사가 특히 고적색도에서 예측된 SNIb/c 및 GRB 비율에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 GRB가 고적색도 별 형성의 신뢰할 수 있는 추적자로 기능할 수 있는가? 이를 위해 광도 함수에 대해 어떤 가정이 관측 결과와 일치하기 위해 필요하는가?

주요 결과

• 국지적 GRB 대 SNIb/c 비율은 약 3×10⁻³이며, 이는 SNIb/c 초신성의 소수의 일부만이 GRB를 생성함을 시사한다.
• 금속성에 의존하는 WR 원천 질량 조건을 포함함으로써, 초기 우주 시기에 예측된 SNIb/c 비율은 감소하지만 국지 비율에는 거의 영향을 주지 않는다.
• 최신 Swift 유도 GRB 비율을 사용할 경우, 천체적 GRB/SNIb/c 비율은 약 ~10⁻⁴로 추정되며, 이는 이전에 오래된 데이터 기반으로 유도된 추정치보다 낮다.
• 다양한 이론적 CSFR은 고적색도에서 특히 SNIb/c 천체적 비율에 차이를 보이지만, 큰 불확실성으로 인해 고적색도 추세에 대한 확실한 결론을 내릴 수 없다.
• GRB의 광도 함수가 적색도에 따라 진화하지 않는다면, GRB는 고적색도 별 형성의 효과적인 추적자로 기능할 수 있다. 그렇지 않으면 모델이 고적색도 GRB 탐지 수를 과소평가한다.
• 고적색도에서 모델 예측과 Swift 관측 결과 사이의 괴리 문제는 초기 시기의 더 높은 CSFR 또는 적색도 증가에 따라 증가하는 GRB 특성 광도를 통해 해결될 수 있다.