[논문 리뷰] The host galaxy of the short GRB111117A at $z = 2.211$: impact on the short GRB redshift distribution and progenitor channels

J. Selsing, T. Krühler외 27명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2017. 07. 03.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 129인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 짧은 펄스성 감마선 폭발 GRB 111117A의 은하계 주변 은하의 스펙트로스코픽 적색이동 z = 2.211을 제시하며, 이는 지금까지 확인된 바 있는 가장 먼 고신뢰도의 짧은 펄스성 감마선 폭발이다. 깊은 영상 및 스펙트로스코피를 통해 저자들은 주변 은하가 빛나는 성간 별 형성 활동을 보이며, 알려진 sGRB 주변 은하들 중에서 가장 높은 X선 유도 수소 열두께를 나타내고 있음을 발견했으며, 이는 원인자 모델에 도전하고 있으며, 고적색이동 sGRB의 상당 부분이 주변 은하의 어두움으로 인해 간과당할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

It is notoriously difficult to localize short $γ$-ray bursts (sGRBs) and their hosts to measure their redshifts. These measurements, however, are critical to constrain the nature of sGRB progenitors, their redshift distribution and the $r$-process element enrichment history of the universe. Here, we present spectroscopy of the host galaxy of GRB111117A and measure its redshift to be $z = 2.211$. This makes GRB111117A the most distant high-confidence short duration GRB detected to date. Our spectroscopic redshift supersedes a lower, previously estimated photometric redshift value for this burst. We use the spectroscopic redshift, as well as new imaging data to constrain the nature of the host galaxy and the physical parameters of the GRB. The rest-frame X-ray derived hydrogen column density, for example, is the highest compared to a complete sample of sGRBs and seems to follow the evolution with redshift as traced by the hosts of long GRBs (lGRBs). The host lies in the brighter end of the expected sGRB host brightness distribution at $z = 2.211$, and is actively forming stars. Using the host as a benchmark for redshift determination, we find that between 43 and 71 per cent of all sGRB redshifts should be missed due to host faintness for hosts at $z\sim2$. The high redshift of GRB111117A is evidence against a lognormal delay-time model for sGRBs through the predicted redshift distribution of sGRBs, which is very sensitive to high-$z$ sGRBs. From the age of the universe at the time of GRB explosion, an initial neutron star (NS) separation of $a_0 < 3.2~R_\odot$ is required in the case where the progenitor system is a circular pair of inspiralling NSs. This constraint excludes some of the longest sGRB formation channels for this burst.

연구 동기 및 목표

• 깊은 스펙트로스코피를 사용하여 짧은 GRB 111117A의 주변 은하의 정확한 적색이동을 결정함으로써 이전의 광도 추정치를 해결하는 것.
• 은하의 물리적 특성, 즉 별 형성률, 빛의 세기,-dust 함량 및 X선 흡수를 특성화하는 것.
• 고적색이동에서 주변 은하의 어두움이 sGRB 적색이동 조사의 완전성에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.
• GRB 111117A의 고적색이동을 바탕으로 지연 시간 분포를 제약 조건화하여 sGRB 원인자 모델을 시험하는 것.
• 폭발 시 우주의 연령을 적용하여 중성자별 이중성계의 형성 시 초기 간격에 대한 제약 조건을 유도하는 것.

제안 방법

• ESO/VLT, TNG, Gemini North, GTC 망원경를 사용하여 GRB 111117A 천체 영역의 깊은 광학 및 적외선 영상 및 스펙트로스코피를 확보함.
• 주변 은하 스펙트럼의 발광 및 흡수 특징을 사용하여 스펙트로스코픽 적색이동 측정을 수행하여 z = 2.211를 도출함.
• X선 광도 곡선 모델링을 통해 복사계 X선 유도 수소 열두께(NH)를 유도하였으며, 이는 완전한 sGRB 주변 은하 샘플 중에서 가장 높은 것으로 나타남.
• 다중 파장 광도 측정을 통해 주변 은하의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 구성하여 별 형성률, 항성 질량 및 먼지 흡수를 추정함.
• 폭발 시 우주의 연령을 사용하여 궤도 감쇠 모델을 적용하여 중성자별 이중성계의 초기 간격을 제약 조건화함.
• 빛의 세기 함수와 탐지 임계값을 비교하여 z ~ 2에서 sGRB 주변 은하 중 얼마나 많은 비율이 GRB 111117A 주변 은하만큼 어두워서 탐지되지 않을지를 추정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 111117A의 주변 은하의 진정된 적색이동은 무엇이며, 이는 이전의 광도 추정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 주변 은하의 물리적 특성, 즉 별 형성률, 빛의 세기 및 먼지 함량은 무엇인가?
• RQ3 GRB 111117A의 높은 X선에서 유도된 수소 열두께는 일반적인 sGRB 주변 은하 샘플과 비교하여 어떻게 다른가, 그리고 이는 흡수 메커니즘에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 현재의 조사에서 주변 은하의 어두움으로 인해 얼마나 많은 고적색이동 sGRB 인구가 간과되고 있는가?
• RQ5 GRB 111117A의 고적색이동은 sGRB 원인자의 지연 시간 분포에 어떤 제약 조건을 둔다. 특히 로그노멀 모델 대비 거듭제곱 법칙 모델에 대해 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• GRB 111117A의 주변 은하의 스펙트로스코픽 적색이동은 z = 2.211이며, 이는 지금까지 확인된 바 있는 가장 먼 고신뢰도의 짧은 펄스성 감마선 폭발임을 확인한다.
• 주변 은하는 빛나는 성간 별 형성 활동을 보이며, z = 2.211에서 기대되는 sGRB 주변 은하 빛의 세기 분포의 높은 쪽에 위치하고 있으며, 별 형성률은 sGRB 주변 은하 SFR 분포의 상위 1/3에 속한다.
• 복사계 X선에서 유도된 수소 열두께(NH)는 완전한 sGRB 주변 은하 샘플 중에서 가장 높으며, 장수 감마선 폭발 주변 은하에서 관측된 것과 동일한 적색이동 진화를 따른다.
• 주변 은하는 뚜렷한 먼지 흡수를 보이지 않으며, 이는 높은 NH 값이 일반적인 흡수 메커니즘과 조화를 이룰 수 없음을 어렵게 만든다.
• z ~ 2에서 sGRB 주변 은하의 43%에서 71%는 GRB 111117A의 주변 은하만큼 어두워서 탐지되지 않을 것으로 추정되며, 이는 현재의 적색이동 조사에서 편향이 존재할 수 있음을 시사한다.
• 폭발 시 우주의 연령는 초기 중성자별 간격 a₀ < 3.2 R☉를 유도하며, 이는 장시간 스케일을 가진 원인자 채널을 배제한다.