[论文解读] Protecting Life in the Milky Way: Metals Keep the GRBs Away

K. Z. Stanek, Oleg Y. Gnedin+8 more|ArXiv.org|Apr 6, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 12

一句话总结

本文表明，长伽马射线暴（GRBs）倾向于发生在金属贫乏的星系中，所有五个本地GRB宿主（z ≤ 0.25）的氧丰度均低于12 + log(O/H) < 8.6，相当于约为太阳值的一半。作者得出结论：在过去几十亿年中，银河系因金属丰度过高而无法孕育长GRBs，这意味着宇宙学GRBs存在约0.15 Z⊙的强金属度阈值，与理论模型一致，即快速旋转、低金属度的前身星是主要来源。

ABSTRACT

The host galaxies of the five local, z&lt;0.25, long-duration gamma-ray bursts, each of which had a well-documented associated supernova, are all faint and metal-poor compared to the population of local star-forming galaxies. We quantify this statement by using a previous analysis of star-forming galaxies (z&lt;0.2) from the Sloan Digital Sky Survey to estimate the fraction of local star formation as a function of host galaxy oxygen abundance. We find that only a small fraction (&lt;25%) of current star formation occurs in galaxies with oxygen abundance 12+log(O/H)&lt;8.6, i.e., about half that of the Milky Way. However, all five low-z GRB hosts have oxygen abundance below this limit, in three cases very significantly so. If GRBs traced local star formation independent of metallicity, the probability of obtaining such low abundances for all five hosts would be P~0.1%. We conclude that GRBs trace only low-metallicity star formation, and that the Milky Way has been too metal rich to host long GRBs for at least the last several billion years. This result has implications for the potential role of GRBs in mass extinctions, for searches for recent burst remnants in the Milky Way and other large galaxies, for non-detections of late radio emission from local core-collapse supernovae, and for the production of cosmic rays in the local Universe. We also find that the isotropic energy release of these five GRBs, E_iso, steeply decreases with increasing host oxygen abundance, suggesting an upper metallicity limit for ``cosmological'' GRBs at ~0.15 Z_solar. (Abridged)

研究动机与目标

• 确定长持续时间伽马射线暴（GRBs）是否独立于金属度而追踪本地恒星形成。
• 评估GRB宿主星系是否相比本地恒星形成星系的总体群体表现出异常低的金属度。
• 评估GRB发生金属度阈值对宇宙射线产生、GRB遗迹以及大规模灭绝情景的影响。
• 检验将GRBs与低金属度、快速旋转的前身星联系起来的理论模型，这些前身星的角动量损失可忽略。

提出的方法

• 作者利用光谱数据分析了五个本地GRB宿主（z ≤ 0.25）与相关超新星的氧丰度。
• 将这些丰度与斯隆数字巡天（SDSS）中涵盖0.005 < z < 0.2的大量本地恒星形成星系样本进行比较。
• 量化了当前本地恒星形成中发生在12 + log(O/H) < 8.6的星系中的比例，以建立比较基准。
• 计算了五个GRB宿主全部具有如此低金属度的偶然概率，结果为p ≈ 0.1%。
• 将五个GRBs的各向同性能量释放（E_iso）与宿主星系的氧丰度相关联，以检验是否存在物理依赖关系。
• 参考理论模型，从大质量恒星的星风质量损失和角动量演化角度解释结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 长GRBs是否独立于金属度而追踪本地恒星形成，还是更倾向于发生在低金属度环境中？
• RQ2 如果GRBs在金属度范围内随机分布，五个本地GRB宿主全部具有如此低氧丰度的概率是多少？
• RQ3 GRBs的各向同性能量释放（E_iso）与宿主星系金属度之间是否存在可测量的相关性？
• RQ4 长GRBs的最高金属度上限是多少？其与大质量恒星演化理论预测的前身星演化相比如何？
• RQ5 观测到的金属度阈值能否排除GRBs作为地球过去大规模灭绝事件的原因？

主要发现

• 所有五个本地GRB宿主的氧丰度均低于12 + log(O/H) < 8.6，相当于约为太阳值的一半，表明其显著比典型恒星形成星系更金属贫乏。
• 当前本地恒星形成中发生在此类低金属度星系中的比例不足25%，因此五个GRB宿主全部处于此类环境中的偶然概率约为0.1%。
• 五个GRBs的各向同性能量释放（E_iso）随宿主星系氧丰度的增加而急剧下降，表明金属度在GRB现象中具有根本性物理作用。
• 数据支持宇宙学GRBs的金属度阈值约为0.15 Z⊙，与大质量恒星演化及角动量守恒的理论模型一致。
• 银河系在过去至少几十亿年中因金属度过高而无法孕育长GRBs，因此GRB引发的地球大规模灭绝事件极不可能发生。
• 结果表明，GRBs不太可能是本地宇宙中宇宙射线的主要来源，且在大星系中搜寻GRB遗迹的尝试也极可能失败。