[論文レビュー] High-Ion Absorption in Seven GRB Host Galaxies at z=2-4: Evidence for both Circumburst Plasma and Outflowing Interstellar Gas

Andrew J. Fox, C. Ledoux+3 more|ArXiv.org|Sep 19, 2008

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 102被引用数 54

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 z=2–4 の7つの高赤方偏移ガンマ線バースト（GRB）後発光に対して、高分解能 VLT/UVES スペクトロスコピーを用いて GRB 主星系内のイオン化ガスを調査した。N v、C iv、Si iv、O vi の特徴的な高イオン吸収線から、周囲爆発プラズマと吹き出しガスの両方の存在を特定した。これらの吸収線のプロファイルは、ワルフ＝レイター風モデルと銀河風の両方に整合する運動学的およびイオン化の兆候を示しており、特に Wolf-Rayet 風モデルと銀河風の両方に一致する運動学的・イオン化的特徴を示している。

ABSTRACT

(Abridged) We use VLT/UVES high-resolution optical spectroscopy of seven GRB afterglows at z_GRB>2 to investigate circumburst and interstellar plasma in the host galaxies. Our sample consists of GRBs 021004, 050730, 050820, 050922C, 060607, 071031, and 080310. Four of these spectra were taken in rapid-response mode, within 30 minutes of the Swift GRB detection. We identify several distinct categories of high-ion absorption at velocities close to z_GRB: (i) Strong high-ion components at z_GRB itself are always seen in OVI, CIV, and SiIV, and usually (in 6 of 7 cases) in NV. We discuss circumburst and interstellar models for the origin of this absorption. Using the non-detection of SIV* toward GRB 050730 together with a UV photo-excitation model, we place a lower limit of 400 pc on the distance of the SIV-bearing gas from the GRB. (ii) Complex, multi-component CIV and SiIV profiles extending over 100-400 km/s around z_GRB are observed in each spectrum; these velocity fields are similar to those measured in damped Lyman-alpha systems at similar redshifts, suggesting a galactic origin. (iii) Asymmetric, blueshifted, absorption-line wings covering 65-140 km/s are seen in the CIV, SiIV, and OVI profiles in 4 of the 7 spectra. The wing kinematics together with the observation that two wings show "Galactic" CIV/SiIV ratios suggest these features trace outflowing ISM gas in the GRB host galaxies. (iv) High-velocity (HV; 500-5000 km/s) components are detected in 6 of the 7 spectra. The HV components show diverse properties. In the cases of GRBs 071031 and 080310, both the ionization level (very high CIV/SiIV ratios and absence of neutral-phase absorption) and the kinematics of the HV components can be explained by Wolf-Rayet winds from the GRB progenitors.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移 GRB 主星系の星間媒体（ISM）および周囲爆発環境における高イオン吸収（O vi、N v、C iv、Si iv、S iv、S vi）の性質を調査すること。
• 運動学的およびイオン化診断を用いて、周囲爆発プラズマと星間ガスの両方が高イオン吸収に寄与しているかを区別すること。
• GRB 後発光スペクトルに見られる高スペード（500–5000 km s⁻¹）吸収成分の起源を特定すること。
• 銀河風とワルフ＝レイター風モデルが、観測された高イオン種のイオン化状態および運動学的特徴を説明する役割を果たすかを評価すること。
• UV光励起モデルと S iv∗ の非検出を用いて、S iv 吸収ガスが GRB からの距離を制限すること。

提案手法

• Swift トリガー直後数分以内に、VLT/UVES スペクトログラフを用いて7つの GRB 後発光の高分解能（6.0 km s⁻¹ FWHM）光学スペクトルを取得した。
• 高イオン（O vi、N v、C iv、Si iv、S iv、S vi）の吸収プロファイルをモデリングするため、ボイティング・プロファイルの成分フィッティングを実施した。
• S iv 吸収ガスが GRB からどれほど離れているかを推定するために、UV 光励起モデルを用い、観測された S iv 縦断密度と S iv∗ の上限値を比較した。
• イオン化比（例：C iv/Si iv）と線プロファイルの非対称性を分析して、銀河 ISM と吹き出しガス成分を区別した。
• C iv/Si iv 比と中性相の線（Si ii、C ii）の欠如を用いて、高スペード成分（500–5000 km s⁻¹）のイオン化状態を評価した。
• ワルフ＝レイター風モデルを用いて、高スペード成分の運動学的およびイオン化構造をモデリングし、周囲爆発起源仮説の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB 主星系の赤方偏移付近に強い高イオン吸収（O vi、C iv、Si iv、N v）が観測される原因は何か？
• RQ2 C iv、Si iv、O vi に見られる非対称的でブルーシフトされた吸収翼は、GRB 主星系における吹き出しガスの星間媒体を示唆するか？
• RQ3 C iv に見られる高スペード（500–5000 km s⁻¹）吸収成分は、主に周囲爆発プラズマ由来か、前方の銀河由来か？
• RQ4 ワルフ＝レイター風モデルは、GRB 071031 および 080310 の高スペード成分の運動学的およびイオン化状態を説明できるか？
• RQ5 UV 光励起モデルを用いて、S iv 吸収ガスが GRB からどれほど離れているかにどのような制限を課すことができるか？

主な発見

• O vi、C iv、Si iv に対して、z_GRB 付近で一貫して強い高イオン吸収が観測され、N v も7例中6例で検出された。これは、密度が高く、強くイオン化された環境であることを示唆している。
• GRB 050730 に対しては、S iv 吸収ガスが GRB から 400 pc 以上離れている下限が得られ、周囲爆発由来ではなく星間媒体由来である可能性が支持された。
• 7つのスペクトルのうち4つで、C iv、Si iv、O vi に 65–140 km s⁻¹ の非対称的でブルーシフトされた吸収翼が検出された。C iv/Si iv 比は約3であり、銀河風と整合的である。
• 吸収翼部の O vi 縦断密度は、のちの銀河ハローと比較して平均で5倍高く、dN/dv の勾配は5–10倍急勾配であった。これは、質量の高い吹き出し率を示唆している。
• 7つのスペクトルのうち6つで、C iv に高スペード成分（500–5000 km s⁻¹）が検出された。GRB 071031 および 080310 では、C iv/Si iv 比が高く、中性相の吸収線が欠如していたことから、周囲爆発由来の起源が支持された。
• ワルフ＝レイター風モデルは、GRB 071031 および 080310 の高スペード成分の運動学的およびイオン化状態を良好に再現でき、起源が前身星由来である強力な証拠を提供した。