[论文解读] VLT/X-shooter spectroscopy of the afterglow of the Swift GRB 130606A: Chemical abundances and reionisation at $z\sim6$

O. E. Hartoog, D. Malesani+29 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2014

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 94被引用 43

一句话总结

本研究利用甚大望远镜/X-shooter对红移 z=5.913 的高红移伽马射线暴 GRB 130606A 进行光谱观测，测量了星际介质（IGM）的电离状态及宿主星系的化学丰度。结果表明，IGM 主要处于电离状态，中性氢分数 x_Hi < 0.05（3σ），宿主星系表现出较高的 [Si/Fe] = +0.79 ± 0.13，与银河系尘埃耗竭行为一致，表明其金属丰度为 -1.7 < [M/H] < -0.9（2–13% 太阳值）。

ABSTRACT

The reionisation of the Universe is thought to have ended around z~6, as inferred from spectroscopy of distant bright background sources, such as quasars (QSO) and gamma-ray burst (GRB) afterglows. Furthermore, spectroscopy of a GRB afterglow provides insight in its host galaxy, which is often too dim and distant to study otherwise. We present the high S/N VLT/X-shooter spectrum of GRB130606A at z=5.913. We aim to measure the degree of ionisation of the IGM between 5.025.6. GRBs are useful probes of the ionisation state of the IGM in the early Universe, but because of internal scatter we need a larger statistical sample to draw robust conclusions. The high [Si/Fe] in the host can be due to dust depletion, alpha-element enhancement, or a combination of both. The very high value of [Al/Fe]=2.40+/-0.78 might connected to the stellar population history. We estimate the host metallicity to be -1.7

研究动机与目标

• 利用 GRB 130606A 余晖光谱中的 Gunn-Peterson 光深和 Lyα 衰减翼，测量 z ≈ 6 时星际介质（IGM）的电离状态。
• 通过 H、Al、Si、Fe 及其他元素吸收线的拟合，测定 GRB 130606A 宿主星系的化学丰度与尘埃含量。
• 评估 GRB 余晖和预先存在的辐射场引起的电离修正，确保化学丰度测量的准确性。
• 检验是否如类星体吸收谱所推断的那样，z ≈ 6 时的 IGM 主要处于电离状态，并利用 GRB 余晖作为背景探针加以验证。

提出的方法

• 利用甚大望远镜/X-shooter 在光学与近红外波段对 GRB 130606A 余晖进行高信噪比、高分辨率光谱观测。
• 通过幂律拟合外推紫外连续谱，以估计本征流量并测量 Lyα、β 和 γ 吸收特征引起的流量衰减。
• 通过拟合 Lyα 线红侧衰减翼的形状，约束 IGM 中中性氢分数（x_Hi）。
• 对金属吸收线（H、Al、Si、Fe、C、O、S、Ni）应用 Voigt 分布拟合，推导柱密度与丰度比。
• 对 GRB 余晖（可忽略，<0.03 dex）和预先存在的辐射场（基于子 DLA 研究，最高达 0.4 dex）的电离修正进行了估算。
• 根据尘埃耗竭与 α-元素增强的模式解释丰度分布，推断尘金属比与宿主星系金属丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 GRB 130606A 的 Lyα 衰减翼探测到的 z ≈ 6 时星际介质（IGM）的电离状态如何？
• RQ2 GRB 130606A 宿主星系的化学丰度与尘埃含量如何，由余晖光谱中的金属吸收线揭示？
• RQ3 GRB 余晖与预先存在的辐射场引起的电离修正对推导的金属丰度有多大影响？
• RQ4 如类星体吸收谱所提示，z ≈ 6 时的 IGM 是否主要处于电离状态？GRB 余晖数据是否支持这一结论？
• RQ5 宿主星系中观测到的丰度模式是否支持与银河系相似的尘金属比？

主要发现

• IGM 中中性氢分数被约束在 x_Hi < 0.05（3σ 水平），表明 z ≈ 6 时 IGM 主要处于电离状态。
• 在红移范围 5.02 < z < 5.84 内，Gunn-Peterson 光深表现出显著的本征离散性，大于测量误差，表明该时期 IGM 电离状态存在强烈的空间非均匀性。
• 宿主星系表现出较高的 [Si/Fe] = +0.79 ± 0.13，若尘金属比与银河系相近，则与尘埃耗竭行为一致。
• 铝的丰度异常偏高：[Al/H] = +0.31 ± 0.78 与 [Al/Fe] = +2.40 ± 0.78，表明其可能由大质量恒星增丰或宿主星系中存在较高的 Al/Fe 产出。
• 宿主星系的金属丰度估计为 -1.7 < [M/H] < -0.9（2–13% 太阳值），与高红移时 damped Lyα 吸收体的质量-金属丰度关系拐点一致。
• GRB 余晖引起的电离修正可忽略（<0.03 dex），但预先存在的辐射场引起的修正可能高达 0.4 dex，凸显了在高红移研究中精确建模的必要性。