[论文解读] Metallicity effects on the cosmic SNIb/c and GRB rates

V. Gríeco, F. Matteuccí+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文通过在螺旋星系和不规则星系中引入金属度依赖的沃尔夫-拉叶（WR）前体恒星最小质量，对星系中Ib/c型超新星（SNIb/c）和伽马射线暴（GRBs）的宇宙速率进行了建模。结合观测和理论的宇宙恒星形成率（CSFR），结果表明仅有极小部分（约10⁻⁴）的SNIb/c事件产生GRBs，金属度效应显著降低了早期SNIb/c的形成速率，但对本地速率影响甚微，并证实了在特定光度假设下，GRBs是高红移恒星形成的有效示踪器。

ABSTRACT

Supernovae Ib/c are likely to be associated to long GRBs, therefore it is important to compare the SN rate in galaxies with the GRB rate. To do that we computed Type Ib/c SN rates in galaxies of different morphological type by assuming different histories of star formation and different supernova Ib/c progenitors. We included some recent suggestions about the dependence of the minimum mass of single Wolf-Rayet (WR) stars upon the stellar metallicity and therefore upon galactic chemical evolution. We adopted several cosmic star formation rates as functions of cosmic time, either observationally or theoretically derived, including the one computed with our galaxy models. Then we computed the cosmic Type Ib/c SN rates. We derived the following conclusions: i) the ratio cosmic GRB - Type Ib/c rate varies in the range 10^{-2}-10^{-4} in the whole redshift range, thus suggesting that only a small fraction of all the Type Ib/c SNe gives rise to GRBs. ii) The metallicity dependence of Type Ib/c SN progenitors produces lower cosmic SN Ib/c rates at early times, for any chosen cosmic star formation rate. iii) Different theoretical cosmic star formation rates, computed under different scenarios of galaxy formation, produce SN Ib/c cosmic rates which differ mainly at very high redshift. However, it is difficult to draw firm conclusions on the high redshift trend because of the large uncertainties in the data. iv) GRBs can be important tracers of star formation at high redshift if their luminosity function does not vary with redshift and they can help in discriminating among different galaxy formation models.

研究动机与目标

• 通过采用金属度依赖的WR前体恒星质量，对螺旋星系和不规则星系中宇宙SNIb/c超新星速率进行建模。
• 将预测的SNIb/c速率与观测到的宇宙GRB速率进行比较，以约束产生GRBs的SNIb/c事件所占比例。
• 评估不同宇宙恒星形成率（CSFR）历史对预测的SNIb/c和GRB速率的影响，尤其关注高红移区域。
• 在光度函数和CSFR存在不确定性的情况下，评估GRBs是否可作为高红移恒星形成的可靠示踪器。

提出的方法

• 利用螺旋星系和不规则星系的化学演化模型，基于恒星形成历史和前体恒星假设，计算SNIb/c速率。
• 引入单个WR恒星的金属度依赖最小质量，其中金属度越高，形成WR恒星所需的最小质量也越大。
• 评估单个WR恒星和大质量双星系统作为SNIb/c前体恒星的贡献，其中双星比例设定为大质量恒星的15%。
• 使用多种宇宙CSFR（包括观测得到的，如Cole et al. 2001，以及理论推导的星系模型）计算宇宙SNIb/c速率，覆盖整个宇宙时间。
• 将预测的宇宙SNIb/c速率与Swift及其他巡天观测到的GRB速率进行比较，以推导GRB/SNIb/c比率。
• 评估GRB光度函数假设与高红移观测的一致性，尤其关注标准CSFR模型对高红移GRB探测数的低估问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 金属度依赖的WR前体恒星质量阈值对螺旋星系和不规则星系中预测的宇宙SNIb/c超新星速率有何影响？
• RQ2 宇宙GRB速率与SNIb/c速率的比率如何随红移变化？这对我们理解产生GRBs的SNIb/c事件比例有何启示？
• RQ3 不同宇宙恒星形成率（CSFR）历史在多大程度上影响预测的SNIb/c和GRB速率，尤其是在高红移区域？
• RQ4 GRBs能否作为高红移恒星形成的可靠示踪器？为使模型与观测一致，其光度函数需做出何种假设？

主要发现

• 本地GRB与SNIb/c速率之比约为3×10⁻³，表明仅有极小部分SNIb/c超新星产生GRBs。
• 引入金属度依赖的WR前体恒星质量后，早期宇宙SNIb/c速率被显著降低，但对本地速率影响可忽略不计。
• 当使用最新的Swift观测得到的GRB速率时，宇宙GRB/SNIb/c速率比估计为~10⁻⁴，低于以往基于旧数据的估计值。
• 不同理论CSFR导致SNIb/c宇宙速率存在差异，尤其在高红移区域，但因存在较大不确定性，尚无法对高红移趋势做出明确结论。
• 若GRB光度函数不随红移演化，则GRBs可作为高红移恒星形成的有效示踪器；否则，模型会低估高红移GRB的探测数。
• 模型预测与Swift在高红移区域的观测之间的差异，可通过提高早期宇宙的CSFR或假设GRB特征光度随红移增加来解释。