[论文解读] A Surprising Lack of LGRB Metallicity Evolution with Redshift

J. F. Graham, P. Schady+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本研究分析了红移 z = 2.5 以内的长暴源宿主星系，发现其金属丰度分布无显著演化，约 25% 的宿主在所有红移下均保持高金属丰度（12+log(O/H) > 8.4）。该结果与典型星系中质量-金属丰度关系的演化预期相矛盾，表明长暴源宿主系统性地比标准标度关系预测的更富金属，从而解决了先前关于金属丰度截止值估计的不一致问题。

ABSTRACT

Recent additions to the population of Long-duration Gamma Ray Burst (LGRB) host galaxies with measured metallicities and host masses allow us to investigate how the distributions of both these properties change with redshift. We form a sample out to z of 2.5 which we show does not have strong redshift dependent populations biases in mass and metallicity measurements. Using this sample, we find a surprising lack of evolution in the LGRB metallicity distribution across different redshifts and in particular the fraction of LGRB hosts with relatively high-metallicity, that is those with 12+log(O/H) > 8.4, remains essentially constant out to z = 2.5. This result is at odds with the evolution in the mass metallicity relation of typical galaxies, which become progressively more metal poor with increasing redshift. By converting the measured LGRB host masses and redshifts to expected metallicities using redshift appropriate mass-metallicity relations, we further find that the increase in LGRB host galaxy mass distribution with redshift seen in the Perley et al. (2016) SHOALS sample is consistent with that needed to preserve a non-evolving LGRB metallicity distribution. However, the estimated LGRB host metallicity distribution is at least a quarter dex higher at all redshifts than the measured metallicity distribution. This corresponds to about a factor of two in raw metallicity and resolves much of the difference between the LGRB host metallicity cutoffs determined by Graham & Fruchter (2017) and Perley et al. (2016). As LGRB hosts do not follow the general mass metallicity relations, there is no substitute for actually measuring their metallicities.

研究动机与目标

• 调查红移 z = 2.5 以内的长暴源宿主星系金属丰度分布是否随红移演化。
• 评估质量与金属丰度测量中的选择偏差是否影响长暴源宿主样本的可靠性。
• 将观测到的长暴源宿主金属丰度与不同红移下标准星系质量-金属丰度关系的预测值进行比较。
• 解决先前研究（Graham & Fruchter 2017；Perley et al. 2016）中关于长暴源宿主金属丰度截止值报告的不一致问题。

提出的方法

• 构建了一个包含测量金属丰度和宿主星系质量的长暴源宿主星系样本，红移范围达 z = 2.5，确保质量与金属丰度测量中无显著红移依赖偏差。
• 使用适用于红移的星系质量-金属丰度关系，基于测量的质量和红移预测长暴源宿主的预期金属丰度。
• 将观测到的长暴源宿主金属丰度分布与质量-金属丰度关系的预测值以及典型星系中的观测分布进行比较。
• 量化观测到的长暴源宿主金属丰度与预测值之间的偏差，发现在所有红移下均系统性高出约 0.25 dex（原始金属丰度约 2 倍）。
• 评估 Perley et al. (2016) SHOALS 样本中观测到的宿主星系质量演化与非演化金属丰度分布的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 长暴源宿主星系的金属丰度分布是否随红移演化至 z = 2.5？
• RQ2 观测到的长暴源宿主金属丰度与不同红移下标准星系质量-金属丰度关系的预测值相比如何？
• RQ3 为何先前研究对长暴源宿主金属丰度截止值的报告存在冲突？
• RQ4 观测到的长暴源宿主质量随红移的增加是否足以解释金属丰度无演化的现象？
• RQ5 长暴源宿主与典型星系中观测到的一般质量-金属丰度关系偏离程度如何？

主要发现

• 从 z = 0 到 z = 2.5，具有高金属丰度（12+log(O/H) > 8.4）的长暴源宿主比例基本保持在约 25%，表明金属丰度无显著演化。
• 观测到的长暴源宿主金属丰度分布系统性地高于标准质量-金属丰度关系在各红移下的预测值，至少高出 0.25 dex（原始金属丰度约 2 倍）。
• 结合红移依赖的质量-金属丰度关系，Perley et al. (2016) SHOALS 样本中观测到的长暴源宿主质量随红移的增加足以解释其金属丰度分布无演化现象。
• 观测值与预测值之间的偏差可解释 Graham & Fruchter (2017) 与 Perley et al. (2016) 之间关于长暴源宿主金属丰度截止值估计差异的大部分。
• 长暴源宿主并不遵循典型星系中观测到的一般质量-金属丰度关系，表明直接测量金属丰度对准确表征至关重要。
• 长暴源宿主金属丰度无演化的现象无法通过质量或金属丰度测量中的选择效应来解释，因为该样本未表现出显著的红移依赖偏差。