[논문 리뷰] VLT/X-shooter spectroscopy of the afterglow of the Swift GRB 130606A: Chemical abundances and reionisation at $z\sim6$

O. E. Hartoog, D. Malesani외 29명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 16.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 94인용 수 43

한 줄 요약

이 연구는 적색이동 z=5.913인 고적색이동 감마선 파동원 GRB 130606A의 VLT/X-shooter 스펙트로스코피를 사용하여 간성간 매질(IGM)의 이온화 상태와 그 은하의 화학 성분 농도를 측정한다. 연구 결과, IGM는 주로 이온화되어 있으며 중성 수소 분율 x_Hi < 0.05 (3σ)로 제약되며, 은하의 [Si/Fe] = +0.79 ± 0.13으로 높게 나타나 갈락티크 먼지 탈리의 특성과 일치하여 금속성 농도가 -1.7 < [M/H] < -0.9 (2–13% 태양값)임을 시사한다.

ABSTRACT

The reionisation of the Universe is thought to have ended around z~6, as inferred from spectroscopy of distant bright background sources, such as quasars (QSO) and gamma-ray burst (GRB) afterglows. Furthermore, spectroscopy of a GRB afterglow provides insight in its host galaxy, which is often too dim and distant to study otherwise. We present the high S/N VLT/X-shooter spectrum of GRB130606A at z=5.913. We aim to measure the degree of ionisation of the IGM between 5.025.6. GRBs are useful probes of the ionisation state of the IGM in the early Universe, but because of internal scatter we need a larger statistical sample to draw robust conclusions. The high [Si/Fe] in the host can be due to dust depletion, alpha-element enhancement, or a combination of both. The very high value of [Al/Fe]=2.40+/-0.78 might connected to the stellar population history. We estimate the host metallicity to be -1.7

연구 동기 및 목표

• GRB 130606A의 후광 스펙트럼에서 Gunn-Peterson 투과도와 Lyα 감쇠 날개를 이용하여 z ≈ 6에서 간성간 매질(IGM)의 이온화 상태를 측정한다.
• H, Al, Si, Fe 및 기타 원소의 흡수선 피팅을 통해 GRB 130606A의 은하 주변의 화학 성분 농도와 먼지 함량을 규명한다.
• GRB 후광과 기존 복사장에 의한 이온화 보정을 평가하여 정확한 성분 농도 측정을 보장한다.
• 쿼라스 흡수 스펙트럼으로부터 유추된 것처럼 z ≈ 6에서 IGM가 주로 이온화되어 있는지 여부를 GRB 후광을 배경 조사로 사용하여 검증한다.

제안 방법

• VLT/X-shooter를 사용하여 GRB 130606A 후광의 고신호대비고해상도 스펙트로스코피를 가시광선 및 근적외선 영역에서 확보하였다.
• UV 연속스펙트럼을 파wer-법선 적합을 통해 외삽하여 본질적 플럭스를 추정하고 Lyα, β, γ 흡수 특징에 의한 플럭스 감소를 측정하였다.
• Lyα 선의 붉은 감쇠 날개의 형태를 피팅하여 IGM 내 중성 수소 분율(x_Hi)을 제약하였다.
• 금속 흡수선(H, Al, Si, Fe, C, O, S, Ni)에 대해 Voigt 프로파일 피팅을 적용하여 열량 밀도와 성분 비율을 유도하였다.
• GRB 후광(무시할 만한 정도, <0.03 dex)과 기존 복사장(하위-DLA 연구 기반 최대 0.4 dex)에 의한 이온화 보정을 추정하였다.
• 먼지 탈리와 α-요소 농도 증가를 고려하여 성분 패턴을 분석하여 먼지 대 금속 비율과 은하 금속성 농도를 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 130606A의 Lyα 감쇠 날개를 통해 탐측된 z ≈ 6에서 간성간 매질(IGM)의 이온화 상태는 어떠한가?
• RQ2 후광 스펙트럼의 금속 흡수선을 통해 드러난 GRB 130606A의 은하 주변의 화학 성분 농도와 먼지 함량은 무엇인가?
• RQ3 GRB 후광과 기존 복사장에 의한 이온화 보정은 유도된 금속 농도에 얼마나 중요한가?
• RQ4 쿼라스 흡수 스펙트럼으로부터 유추된 것처럼 z ≈ 6에서 IGM가 주로 이온화되어 있는지 여부를 GRB 후광 데이터로 확인할 수 있는가?
• RQ5 관측된 성분 패턴은 은하의 먼지 대 금속 비율이 은하계와 유사하다는 것을 뒷받침하는가?

주요 결과

• IGM 내 중성 수소 분율은 3σ 유의수준에서 x_Hi < 0.05로 제약되며, z ≈ 6에서 IGM가 주로 이온화되어 있음을 시사한다.
• 적색이동 범위 5.02 < z < 5.84에서의 Gunn-Peterson 투과도는 측정 오차보다 큰 내재적 산란을 보이며, 이는 이 시기 IGM 이온화 상태에 강한 공간적 변동성이 있음을 시사한다.
• 은하의 [Si/Fe] = +0.79 ± 0.13로 높게 나타나, 먼지 대 금속 비율이 은하계 수준과 유사할 경우 먼지 탈리와 일치한다.
• 알루미늄 농도가 매우 높은 편이다: [Al/H] = +0.31 ± 0.78 및 [Al/Fe] = +2.40 ± 0.78로, 이는 거대 별의 증식 또는 은하 내에서 높은 Al/Fe 수확률을 의미한다.
• 은하의 금속성 농도는 -1.7 < [M/H] < -0.9 (2–13% 태양값)로 추정되며, 고적색이동에서의 다임프드 Lyα 흡수체의 질량-금속성 관계 끊김 현상과 일치한다.
• GRB 후광에 의한 이온화 보정은 무시할 만큼 작다(<0.03 dex), 그러나 기존 복사장에 의한 보정은 최대 0.4 dex에 이르며, 고적색이동 연구에서 정밀한 모델링이 필요함을 시사한다.