[论文解读] A Surprising Lack of Metallicity Evolution with Redshift in the Long Gamma-Ray Burst Host Galaxy Population

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

本研究利用红移高达 z=2.5 的超过100个星系样本，分析了长伽马射线暴（LGRB）宿主星系的金属度演化。出乎意料的是，研究发现金属度分布并无显著演化——特别是高金属度宿主星系（12+log(O/H) ≥ 8.4）的比例保持恒定——这挑战了LGRB宿主星系在更高红移下趋于更金属贫乏的假设。

ABSTRACT

The number of long-duration Gamma Ray Burst (LGRB) host galaxies with measured metallicities and host masses has now grown to over one hundred, allowing us to investigate how the distributions of both these properties change with redshift. Using the combined host galaxy metallicity sample from Graham & Fruchter (2013) and Krühler et al. (2015), we find a surprising lack of evolution in the LGRB metallicity distribution across different redshifts. In particular, the fraction of LGRB hosts with relatively high metallicity (12+log(O/H) $\geq$ 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. A similar result is found when converting the LGRB host galaxy mass distribution taken from the SHOALS (Swift GRB Host Galaxy Legacy Survey) sample to a corresponding metallicity distribution by applying a redshift-dependent mass-metallicity relation. The SHOALS sample is compiled using an unbiased selection function implying that the observed lack of evolution in the host galaxy high metallicity distribution is not caused by selection effects. However, the LGRB host galaxy metallicities estimated from the stellar mass are typically a quarter dex higher at all redshifts than the metallicity we measure spectroscopically. This implies that using mass-metallicity relationships to estimate host metallicities will thus produce a substantial systematic bias.

研究动机与目标

• 调查长伽马射线暴（LGRB）宿主星系的金属度分布是否随宇宙红移演化。
• 检验宿主星系采样中的选择效应或偏差是否可解释观测到的金属度趋势。
• 将光谱测得的金属度与基于星族质量利用质量-金属度关系（MZR）估算的金属度进行比较。
• 评估在宇宙学研究中，基于质量的LGRB宿主星系金属度估算的可靠性。

提出的方法

• 整合Graham & Fruchter（2013）和Krühler等人（2015）针对红移高达 z=2.5 的LGRB宿主星系的联合光谱金属度数据。
• 应用KK04与CCM+17金属度诊断方法以确保一致性，并扩大样本覆盖范围，尤其针对线性流量不全的天体。
• 使用Kolmogorov-Smirnov（K-S）检验比较红红移区间（Δz=0.5）的累积金属度分布，以检测演化迹象。
• 利用Zahid等人（2013）提出的红移依赖质量-金属度关系，将SHOALS巡天中的星族质量分布转换为金属度估算值。
• 对测得的金属度与基于质量的估算值进行统计比较，量化系统性偏差。
• 分析子样本，包括仅含全谱线覆盖天体的样本，并扩展至包含部分谱线诊断的样本，以评估方法敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 LGRB宿主星系的金属度分布是否如宇宙化学演化所预期的那样随红移增加而演化？
• RQ2 观测到的高金属度LGRB宿主星系（12+log(O/H) ≥ 8.4）在宇宙时空中比例是否恒定，还是存在选择偏差？
• RQ3 基于星族质量估算的金属度与LGRB宿主星系中光谱实测金属度相比如何？
• RQ4 当将质量-金属度关系应用于LGRB宿主星系时，会引入多大程度的系统性偏差？

主要发现

• 从 z=0 到 z=2.5，LGRB宿主星系中高金属度（12+log(O/H) ≥ 8.4）的比例保持在约20%，无显著演化。
• 所有红移区间比较的K-S检验 p 值均 >0.3，表明不同红移下的金属度分布在统计上无法区分。
• 基于质量的金属度估算值系统性高于光谱测量值，平均偏移量为0.23 dex，中位数偏移为0.30 dex。
• 估算值与实测值之间偏移的标准差为0.46 dex，表明散射较大，校正可靠性差。
• 在原始（非对数）尺度下，实测值与估算值的中位数比为0.496，证实基于质量的估算值高估了真实金属度。
• 即使使用包含更多线性覆盖不全天体的CCM+17诊断方法，也未观测到红移演化，表明结果对方法差异具有鲁棒性。