[论文解读] Are LGRBs biased tracers of star formation? Clues from the host galaxies of the Swift/BAT6 complete sample of bright LGRBs. II: star formation rates and metallicities at z < 1

J. Japelj, S. D. Vergani+22 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 108被引用 36

一句话总结

本研究分析了来自Swift/BAT6完整样本的14个红移z < 1的明亮长伽马射线暴（LGRB）宿主星系，以评估其作为恒星形成踪影的适用性。利用激态发射线，作者测量了尘埃消光、恒星形成率（SFR）和金属度，发现LGRB宿主星系倾向于低金属度、低质量星系，其平均SFR低于恒星形成踪影所预期的水平，这是由于对高金属度的强烈排斥所致。

ABSTRACT

Long gamma-ray bursts (LGRBs) are associated with the deaths of massive stars and could thus be a potentially powerful tool to trace cosmic star formation. However, especially at low redshifts (z < 1.5) LGRBs seem to prefer particular types of environment. Our aim is to study the host galaxies of a complete sample of bright LGRBs to investigate the impact of the environment on GRB formation. We study host galaxy spectra of the Swift/BAT6 complete sample of 14 z < 1 bright LGRBs. We use the detected nebular emission lines to measure the dust extinction, star formation rate (SFR) and nebular metallicity (Z) of the hosts and supplement the data set with previously measured stellar masses M$_{\star}$. The distributions of the obtained properties and their interrelations (e.g. mass-metallicity and SFR-M$_{\star}$ relations) are compared to samples of field star-forming galaxies.We find that LGRB hosts at z < 1 have on average lower SFRs than if they were direct star-formation tracers. By directly comparing metallicity distributions of LGRB hosts and star-forming galaxies, we find a good match between the two populations up to Z $\sim 8.4-8.5$, after which the paucity of metal-rich LGRB hosts becomes apparent. The LGRB host galaxies of our complete sample are not inconsistent with the mass-metallicity relation at similar mean redshift and stellar masses. The cutoff against high metallicities (and high masses) can explain the low SFR values of LGRB hosts. We find a hint of increased incidence of starburst galaxies in the Swift/BAT6 z < 1 sample with respect to that of a field star-forming population. Given that the SFRs are low on average, the latter is ascribed to low stellar masses. Nevertheless the limits on the completeness and metallicity availability of current surveys, coupled with the limited number of LGRB host galaxies, prevent us from reaching more quantitative conclusions.

研究动机与目标

• 确定z < 1的长伽马射线暴（LGRB）宿主星系是否为宇宙恒星形成的无偏踪影。
• 研究宿主星系属性（特别是金属度、恒星质量与SFR）在LGRB形成效率中的作用。
• 将LGRB宿主星系中SFR、金属度与恒星质量的分布与星场恒星形成星系的分布进行比较。
• 在考虑其环境偏倚的前提下，评估LGRB宿主星系中观测到的SFR是否与恒星形成驱动的起源一致。

提出的方法

• 对来自Swift/BAT6完整样本的14个z < 1 LGRB宿主星系中的激态发射线（如Hα、[O II]、[O III]）进行光谱分析。
• 利用发射线比值推导尘埃消光、恒星形成率（SFR）和激态金属度（12 + log(O/H)）。
• 补充使用先前研究（论文I，Vergani等，2015）提供的恒星质量（M‹），以实现与质量-金属度关系及SFR-恒星质量关系的比较。
• 将LGRB宿主星系属性与深空巡天（如VVDS、VIMOS VLT深空巡天）中的星场恒星形成星系进行比较，以评估偏倚。
• 对金属度分布及其与SFR和恒星质量的关系进行统计分析，包括检验其是否偏离质量-金属度关系与SFR-质量关系。
• 调查高能伽马暴属性（Eγ,iso、Lγ,iso、Eγ,peak）与宿主金属度之间的相关性，以排除选择效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 z < 1的LGRB宿主星系在SFR与金属度方面是否能代表一般恒星形成星系群体？
• RQ2 LGRB宿主星系中观测到的SFR是否反映了真实的恒星形成率，还是由于环境偏倚而被抑制？
• RQ3 LGRB宿主星系在多大程度上偏离了星场星系中观测到的质量-金属度关系与SFR-恒星质量关系？
• RQ4 LGRB宿主星系对低金属度环境的偏好是否是其SFR平均值较低的原因？
• RQ5 与星场星系相比，LGRB宿主星系中是否存在星暴星系（高比SFR）的显著增多现象？若存在，这种增多在考虑金属度偏倚后是否与SFR驱动模型一致？

主要发现

• z < 1的LGRB宿主星系平均SFR低于若其为恒星形成直接踪影所预期的水平，表明其对高SFR环境存在偏倚。
• LGRB宿主星系的金属度分布显示出对金属丰富的星系（12 + log(O/H) > 8.4–8.5）的明显缺乏，且在该阈值以上存在急剧截止。
• LGRB宿主星系在相似红移与恒星质量下与质量-金属度关系一致，表明金属度偏倚是其观测属性的主要驱动力。
• LGRB宿主星系中SFR偏低，很可能是其对高金属度与高质星系强烈排斥的结果，而非内在SFR抑制所致。
• LGRB宿主星系中星暴星系（高比SFR）的出现频率略有增加，但这很可能是由于在低质量、低金属度系统中选择所致，而非真实增强。
• 未发现高能伽马暴属性（Eγ,iso、Lγ,iso、Eγ,peak）与宿主金属度之间存在显著相关性，表明样本选择未受光度或能量的偏倚影响。