[论文解读] 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 54

一句话总结

本研究利用甚大望远镜/紫外-可见光阶梯光谱仪（VLT/UVES）对红移 z=2–4 的七个高红移伽马射线暴（GRB）余晖进行高分辨率光谱观测，以研究 GRB宿主星系中的电离气体。通过 N v、C iv、Si iv 和 O vi 的特征吸收谱，识别出喷流周围的等离子体和外流的星际气体，关键证据来自这些离子的轮廓显示其动力学与电离特征与沃尔夫-拉叶星风模型及星系外流一致。

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.

研究动机与目标

• 研究高红移 GRB 宿主星系中星际介质（ISM）和喷流周围环境内高电离吸收（O vi、N v、C iv、Si iv、S iv、S vi）的性质。
• 利用动力学与电离诊断，区分喷流周围等离子体与星际气体对高电离吸收的贡献。
• 确定 GRB 余晖光谱中观测到的高速（500–5000 km s⁻¹）吸收成分的起源。
• 评估星系外流与沃尔夫-拉叶星风模型在解释高电离物种观测到的电离与动力学特征中的作用。
• 通过紫外光致激发建模与 S iv∗ 的未检测结果，约束 S iv 吸收气体距 GRB 的距离。

提出的方法

• 在 Swift 触发后数分钟内，利用甚大望远镜/紫外-可见光阶梯光谱仪（VLT/UVES）获取七例 GRB 余晖的高分辨率（6.0 km s⁻¹ FWHM）光学光谱。
• 采用 Voigt 分量拟合方法，对静止系紫外与光学波段中高电离物种（O vi、N v、C iv、Si iv、S iv、S vi）的吸收轮廓进行建模。
• 利用光致激发模型，通过比较观测到的 S iv 柱密度与 S iv∗ 的上限，估算 S iv 吸收气体距 GRB 的距离。
• 通过分析电离比值（如 C iv/Si iv）与线轮廓不对称性，区分星系 ISM 与外流气体组分。
• 利用 C iv/Si iv 比值与中性相谱线（Si ii、C ii）的缺失，评估高速成分（500–5000 km s⁻¹）的电离条件。
• 利用沃尔夫-拉叶星风模型对高速成分的动力学与电离结构进行建模，以检验喷流周围起源的假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRB 宿主星系红移处强高电离吸收（O vi、C iv、Si iv、N v）的起源是什么？
• RQ2 C iv、Si iv 和 O vi 中检测到的不对称蓝移吸收翼是否在 GRB 宿主星系中追踪了外流的星际气体？
• RQ3 C iv 中观测到的高速（500–5000 km s⁻¹）吸收成分主要源于喷流周围等离子体还是前景星系？
• RQ4 沃尔夫-拉叶星风模型能否解释 GRB 071031 和 080310 中高速成分的动力学与电离状态？
• RQ5 通过紫外光致激发建模，可对 S iv 吸收气体距 GRB 的距离施加何种约束？

主要发现

• 在 z_GRB 处，O vi、C iv 和 Si iv 的强高电离吸收被一致观测到，且在七例中的六例中检测到 N v，表明存在致密且高度电离的环境。
• 对于 GRB 050730，S iv 吸收气体距 GRB 的距离下限为 400 pc，支持其起源于星际介质而非喷流周围等离子体。
• 在七例光谱中的四例中检测到 C iv、Si iv 和 O vi 的不对称蓝移吸收翼（覆盖 65–140 km s⁻¹），其 C iv/Si iv 比值约为 3，与星系外流一致。
• 翼部 O vi 柱密度平均比银河系晕中高五倍，且梯度 dN/dv 的陡度为 5–10 倍，表明质量外流速率增强。
• 在七例光谱中的六例中检测到 C iv 的高速成分（500–5000 km s⁻¹）；在 GRB 071031 和 080310 中，其高 C iv/Si iv 比值与中性相吸收的缺失支持其起源于喷流周围等离子体。
• 沃尔夫-拉叶星风模型成功再现了 GRB 071031 和 080310 中高速成分的动力学与电离水平，为前身星驱动起源提供了有力证据。