[논문 리뷰] Afterglow spectrum of a gamma-ray burst with the highest known redshift z=6.295

N. Kawai, George Kosugi외 26명|arXiv (Cornell University)|2005. 12. 02.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 감마선 폭발 후광에서 처음으로 스펙트로스코픽으로 건-페테르슨 트러프를 검출하였으며, z = 6.295의 적색편이를 확인함으로써 현재까지 알려진 바 중 가장 높은 적색편이다. 흡수 특징과 금속성 농도 측정 결과, 원천 주변에 밀도가 높고 금속으로 오염된 환경이 존재함을 밝혀내어, z > 6에서의 초기 은하 형성과 간성간 매질에 대한 직접적인 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Gamma-ray bursts (GRBs) and their afterglows have been proposed as an excellent probe to study the evolution of cosmic star formation, the reionization of the intergalactic medium, and the metal enrichment history of the universe, since the prompt gamma-ray emission of GRBs should be detectable out to distances z>10. Hitherto, the highest measured redshift for a GRB has been z=4.50. Here we report the optical spectrum of the afterglow of GRB 050904 obtained 3.4 days after the burst. The spectrum shows a clear continuum at the long wavelength end of the spectrum with a sharp cutoff at around 9000 A due to Ly alpha absorption at a redshift of 6.3 with a damping wing. Little flux is present in the waveband shortward of the Ly alpha break. A system of absorption lines of heavy elements at redshift z=6.295 +- 0.002 were also detected, yielding a precise measurement of the largest known redshift of a GRB. Analysis of the Si II fine structure lines suggest a dense metal-enriched environment around the GRB progenitor, providing unique information on the properties of the gas in a galaxy when the universe was younger than one billion years.

연구 동기 및 목표

• 우주의 재이온화와 초기 은하 형성을 연구하기 위해 알려진 바 중 가장 높은 적색편이에서 감마선 폭발 후광의 적색편이를 측정하기 위해.
• 감마선 폭발 후광에서 건-페테르슨 트러프를 검출하고 특성화하여, z > 6에서 간성간 매질의 중성 수소 존재 여부를 밝히기 위해.
• 미세 구조선을 이용하여 감마선 폭발 원천 주변의 흡수 기체의 금속성 농도와 물리 조건을 결정하기 위해.
• 우주의 이른 시기인 코스믹 덴에서 감마선 폭발이 금속으로 오염된 환경에서 발생하는지 평가하여 첫 별 형성 이론을 제약하기 위해.
• 감마선 폭발 후광 흡수 스펙트럼을 고적색편이 quasar 스펙트럼과 비교하여 이온화 환경과 금속성 농도 제약의 차이를 평가하기 위해.

제안 방법

• 8.2m 수비라 천체망원경의 희미한 물체 카메라 및 스펙트로그래프(FOCAS)를 사용하여 GRB 050904 후광의 깊은 그리즘 스펙트럼을 확보하였다.
• 약 9000 Å에서 날카로운 스펙트럼 절단을 관측하여 z ≈ 6.3에서 Lyα 흡수를 나타내었으며, 높은 중성 수소 열량 밀도와 일치하는 감쇠 날개를 확인하였다.
• z = 6.295 ± 0.002에서 Si II, S II, O I, C II의 흡수선을 통해 적색편이를 측정하여 주변 은하의 적색편이를 확인하였다.
• Si II 미세 구조선의 등가폭 비율(λ1264.7 및 λ1260.4)을 사용하여 전자 밀도(log ne ≈ 2.3 ± 0.7 cm⁻³)와 물리적 깊이(0.4 pc)를 추정하였다.
• Lyα 감쇠 날개를 DLA 모델을 사용하여 적합화하였으며, log N_HI ≈ 21.3 cm⁻²로 가정하여 중성 수소 열량 밀도를 제약하였다.
• 표준 태양 성분과 유도된 열량 밀도를 사용하여 금속성 농도를 계산하였으며, [C/H] = -2.4, [O/H] = -2.3, [Si/H] = -2.6, [S/H] = -1.0을 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 050904 후광의 적색편이는 얼마이며, 이는 현재까지 알려진 바 중 가장 높은 감마선 폭발 적색편이를 나타내는가?
• RQ2 약 9000 Å에서 관측된 스펙트럼 절단은 z > 6에서 간성간 매질의 중성 수소로 인한 건-페테르슨 트러프 존재 여부를 나타내는가?
• RQ3 감마선 폭발 원천 주변의 흡수 기체의 물리 조건(전자 밀도, 금속성 농도, 깊이)은 무엇인가?
• RQ4 감마선 폭발은 z > 6에서 금속으로 오염된 환경에 위치하는가? 이는 첫 별 형성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 고적색편이 quasar보다 감마선 폭발 후광이 고적색편이 간성간 매질을 더 깔끔하게 탐사할 수 있는가?

주요 결과

• GRB 050904 후광의 적색편이는 z = 6.295 ± 0.002로 측정되었으며, 이는 현재까지 알려진 바 중 가장 높은 감마선 폭발 적색편이다.
• 명백한 건-페테르슨 트러프가 검출되었으며, Lyα의 적색편이 측면에 감쇠 날개가 존재하여 중성 수소 열량 밀도가 log N_HI ≈ 21.3 cm⁻²임을 나타낸다.
• z = 6.295에서 관측된 금속 흡수선(Si II, S II, O I, C II)은 주변 은하의 적색편이를 확인하며, [Si/H] = -2.6 및 [S/H] = -1.0을 보이는 금속으로 오염된 환경을 드러낸다.
• 흡수 기체의 전자 밀도는 log ne ≈ 2.3 ± 0.7 cm⁻³로 제약되었으며, 물리적 깊이는 0.4 pc로 밝혀져 밀도가 높고 국소화된 흡수 쉘임을 시사한다.
• 미세 구조선과 열량 밀도는 흡수 기체가 희박한 IGM 흡수체가 아니라 금속으로 오염된 환경의 원형별 껍질 또는 바람에 의해 형성된 nebul로 일관된다.
• 감마선 폭발 후광에서 DLA 유사 감쇠 날개와 금속선의 검출은 z > 6에서 중성 수소와 금속성 농도를 직접 탐사하는 데 있어 첫 번째 사례이며, 재이온화와 초기 별 형성에 대한 함의를 지닌다.