[论文解读] Host galaxies of long gamma-ray bursts in the Millennium Simulation

Nora Elisa Chisari, P. B. Tissera+1 more|Data Archiving and Networked Services (DANS)|May 21, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 91被引用 10

一句话总结

本研究利用Millennium模拟对长伽马射线暴（LGRB）宿主星系进行建模，模拟在质量和金属度约束下的前身恒星。结果表明，可观测的LGRB宿主星系偏好位于$10^{11}$–$10^{11.5}$ M⊙的暗物质晕中，星族质量为$10^{8.5}$–$10^{10.3}$ M⊙，且金属度低于$0.6\,{\rm Z_\odot}$，其特性与不同红移下的观测结果一致。

ABSTRACT

(abridged) In this work, we investigate the nature of the host galaxies of long Gamma-Ray bursts (LGRBs) using a galaxy catalogue constructed from the Millennium Simulation. We developed an LGRB synthetic model based on the hypothesis that these events originate at the end of the life of massive stars following the collapsar model, with the possibility of including a constraint on the metallicity of the progenitor star. A complete observability pipeline was designed to calculate a probability estimation for a galaxy to be observationally identified as a host for LGRBs detected by present observational facilities. This new tool allows us to build an observable host galaxy catalogue which is required to reproduce the current stellar mass distribution of observed hosts. This observability pipeline predicts that the minimum mass for the progenitor stars should be ~75 solar masses in order to be able to reproduce BATSE observations. Systems in our observable catalogue are able to reproduce the observed properties of host galaxies, namely stellar masses, colours, luminosity, star formation activity and metallicities as a function of redshift. At z>2, our model predicts that the observable host galaxies would be very similar to the global galaxy population. We found that ~88 per cent of the observable host galaxies with mean gas metallicity lower than 0.6 solar have stellar masses in the range 10^8.5-10^10.3 solar masses in excellent agreement with observations. Interestingly, in our model observable host galaxies remain mainly within this mass range regardless of redshift, since lower stellar mass systems would have a low probability of being observed while more massive ones would be too metal-rich. Observable host galaxies are predicted to preferentially inhabit dark matter haloes in the range 10^11-10^11.5 solar masses, with a weak dependence on redshift.

研究动机与目标

• 利用宇宙学模拟理解长伽马射线暴（LGRB）宿主星系的物理特性。
• 检验LGRB前身星为大质量低金属度恒星的假设，符合塌缩星模型。
• 开发一个可观测性流程，预测当前设备可探测到的LGRB宿主星系。
• 重现观测到的LGRB宿主星系的星族质量分布，并评估金属度与恒星形成的作用。
• 研究可观测LGRB宿主星系在宇宙时空中对环境与晕质量的依赖性。

提出的方法

• 基于塌缩星情景构建合成LGRB模型，假设前身星为受金属度与恒星形成约束的大质量恒星。
• 完整的可观测性流程计算探测某星系作为LGRB宿主的概率，整合了流量极限与检测阈值。
• 星系属性（星族质量、SFR、金属度、光度、颜色）通过半分析模型从Millennium模拟星表中推导。
• 模型对潜在宿主星系应用$0.6\,{\rm Z_\odot}$的金属度阈值，同时考虑尘埃效应的影响。
• 追踪暗物质晕质量与环境密度，以评估宿主星系的聚集性与空间分布。
• 将结果与观测到的LGRB宿主星系特性（包括星族质量函数、SFR与金属度）在不同红移下的数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 LGRB宿主星系的星族质量范围需满足什么条件，才能在观测上被探测到并符合当前观测结果？
• RQ2 前身恒星的金属度如何影响LGRB宿主星系的可观测性与物理特性？
• RQ3 可观测LGRB宿主星系偏好的暗物质晕质量范围是什么？该范围如何随红移演化？
• RQ4 可观测LGRB宿主星系的恒星形成率与颜色在宇宙时空中与整体星系群体相比如何？
• RQ5 哪些环境与形态学特征可将可观测LGRB宿主星系与其他星系区分开来？

主要发现

• 该模型预测，可观测LGRB的前身星最小质量约为$75\,{\rm M_\odot}$，与BATSE观测结果一致。
• 88%的可观测LGRB宿主星系星族质量位于$10^{8.5}$至$10^{10.3}\,{\rm M_\odot}$之间，与观测分布相符。
• 可观测宿主星系主要位于$10^{11}$–$10^{11.5}\,{\rm M_\odot}$的暗物质晕中，且红移依赖性极小。
• 在$z>2$时，可观测宿主星系在环境与密度上与整体星系群体相似，但更可能拥有近距离伴星系。
• 在所有红移下，可观测宿主星系的恒星形成率（SFR）均高于整体星系群体，尤其在$z<2$时存在显著超额，使其平均颜色更蓝。
• 该模型支持LGRB前身星的金属度阈值为$0.6\,{\rm Z_\odot}$，但GRB-DLA观测结果提示可能存在更低的阈值。