由GRB余辉揭示的高红移高金属丰度星系

(昨天LA地区遭到了10几年来最强的Santa Anna风的影响,Carnegie研究所门口两棵很大的树都被直接连根拔起,看上去很壮观。。。anyway,科研和学习还要继续,今天给大家介绍的是上个月的一篇文章,结论也是很有意思的)

文章: Super-solar Metal Abundances in Two Galaxies at z ~ 3.57 revealed by the GRB 090323 Afterglow Spectrum

  • 作者:S. Savaglio, A. Rau, J. Greiner, T. Krühler, S. McBreen, D. H. Hartmann, A. C. Updike, R. Filgas, S. Klose, P. Afonso 等
  • 论文索引:astro-ph/1110.4662
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

文章背景:

本文介绍的内容和上一篇其实也是有联系的,都是从化学演化的角度对星系的形成演化进行限制的研究,所谓化学演化,其实就是看通过恒星形成活动不断对星际介质,星系际介质进行增丰的过程,这样的过程的效率实际上也反映了恒星形成的效率等;可以想象,宇宙整体的增丰过程会使得我们预期在高红移的宇宙看到的星系的气体介质的金属丰度比现在的宇宙要低很多,而且,虽然研究起来并不容易,但是从目前的观测证据看在红移等于4的地方,平均的金属丰度是低于10分之一太阳丰度的,这样的结果主要来自利用QSO视线方向的吸收线系统得到的;利用恒星形成星系中的发射线也可以对星系中的金属丰度进行限制,利用这个方法,天文学家已经在红移等于2的宇宙中找到了金属丰度接近或者等于太阳金属丰度的恒星形成星系。根据观测和理论研究,在星系的恒星质量,气体金属丰度,甚至和星系的恒星形成率之间可能存在着非常基本的关系,至少我们知道质量和金属丰度之间的关系可以一直探测到比较高的红移处,并且这样的关系显示在红移很高的地方,最大的星系中由于效率更高的恒星形成,也是有可能看到很高的金属丰度的。

关于这些星系的金属丰度测量,前面已经提到了利用星云发射线特征和QSO视线方向的吸收线进行,本文则利用了一个很好玩的工具,那就是高能的GRB的余辉光谱;其实在GRB余辉中进行像Damped Lyman alpha吸收系统的探测早就不是第一次了,主要是在来自大质量恒星核坍缩死亡过程产生的长GRB中,这些余辉非常的明亮,比一般的高红移QSO更适合探测这些微弱的吸收特征,此外,QSO视向方向是很任意的,就像前一篇介绍的文章中提到的那样,一般是找到QSO前景的吸收系统在和周围的候选星系像联系,更适合用来探测星系外围,比如Halo中的气体,而GRB则更可能发生在星系当中的恒星形成活跃的地方,对于直接研究星系恒星成分和主要的ISM的金属丰度更合适,不过,缺点就是,QSO会一直在那里等着你观测,但GRB余辉是稍纵即逝的,不过显然本文的作者们非常的幸运,本文的主要结论就是利用一个高红移GRB:090323,在红移等于3.5-3.6的地方找到了两个金属丰度超过太阳丰度的恒星形成星系。


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图一:VLT FORS2观测到的GRB 090323的余辉光谱,图中标注出了主要的探测到的吸收线,对起干扰的天光线也进行了标注

主要结论:

本文的观测是利用VLT进行的,得到的光谱如上图所示;在Fermi望远镜发现这个GRB之后,地面上的一系列望远镜都做了迅速的反映,VLT拍摄余辉光谱也在其中,而这些光谱的分辨率和覆盖范围正好可以充分的研究前景上的各种吸收系统,尤其是其中的金属线。在这些密密麻麻的吸收线中,作者认证出了两个主要的吸收线系统,他们在速度空间上挨的很近,只有600km/s的间隔,分别位于红移z = 3.5673和z = 3.5774处,两个系统都由星系中的中性星际介质所主导,不过还是有一些金属线可以用来进行丰度测量,比如,在本文中,利用一次电离的Zn和S线得到了很好的这两种元素的丰度估计,发现这两个吸收系统(其实就是两个埃的很近的星系,文中称为G1和G2)不仅有着已知的在红移大于3处最高的金属丰度,而且其丰度值都超过了太阳丰度,我猜这和考古学家在某古墓中出土了现代工业水准的加工品的感觉差不多吧,说明在很久很久的以前,就已经有星系以惊人的效率进行着增丰过程。


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图二:图一光谱中探测到的属于两个星系,G0和G1的金属吸收线系统的放大显示,这里展示的主要是中性和低电离线


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图三:余辉中显示的高电离吸收线

对于这两个星系,在上面的光谱中,天文学家们还找到了Si元素的某条精细结构线,这种处于不稳定激发态的跃迁吸收线在恒星形成星系中比较常见,而且也不是第一次在GRB余辉中被找到了,这也说明这两个星系是货真价实的恒星形成星系,和探测到了长GRB的概率是符合的;此外,利用紫外连续谱的观测,作者估计出了一个6太阳质量每年左右的恒星形成率;把这些物理信息,以及两个星系在视线方向上距离很近这点联系在一起之后,作者提出了一个很巧妙的故事,就是这两个吸收系统是一对正在发生并和过程的的星系,这样的富气体并和过程势必会激发比单独演化时更强烈的恒星形成活动,而第一,恒星形成效率的提高以及并和过程中的剧烈耗散过程都会有利于星际介质的增丰和富金属气体的集中,第二,高效的恒星形成活动也为只有大质量恒星死亡才能产生的长GRB提供了背景;这个图像虽然没有过多的理论证据但是的确合情合理,而且在高红移的地方,确实应该有着更多的因为并和而产生了严重的形态扰动,剧烈的恒星形成和快速的金属增丰的星系,比如目前已知的一些大质量亚毫米波星系可能就属于这一类,如果能观测到高红移GRB长暴和这类天体之间的某种统计关系,可能作者的故事就更加完整和可信了吧,但不管怎样,本文至少有力的展示了宇宙的复杂,在高红移处,星系的星际介质之间的性质差异已经有了充分的体现,以至于在宇宙刚刚诞生20亿年以后,拥有高于太阳金属丰度的恒星形成星系就已经存在了。


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图四:已经有某种形式的金属风度测量的高红移星系的分布以及与质量-金属丰度关系预测的比较

延伸阅读:

  • 1. ESO主页上对这个工作的详细和通俗的介绍
  • 2. 关于GRB余辉,可以参考bzhang
  • 同学的很好的介绍

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    4 Replies to “由GRB余辉揭示的高红移高金属丰度星系”

    1. 快乐中微子

      Firefox 8.0.1 Windows 7

      图四原则上是错误的. 这些天体被测量的是某种元素的丰度,例如 Si和 S。 如果把这单个元素丰度和其太阳的丰度比例就代表为 Z/Z_{sun} , 那么其他所有的元素就没必要探测了,直接按照Z/Z_{sun}的比例算出就好。。 当然考虑到现在的误差,以及这帮人是搞观测的,再加上他们非得和一些只能计算金属丰度Z的模型比较,这么做是可以接受的。

      正确的做法是这样的。 http://adsabs.harvard.edu/abs/2010A%26A…521A..73F

      顺便说一下,红移3观测到超过太阳丰度一点就不奇怪。 观测到的天体在红移4, 5 处都超过太阳丰度 http://adsabs.harvard.edu/abs/2006MmSAI..77..643M

      • chentao

        Firefox 8.0.1 Linux

        Maiolino, R.+2006的文章里说的是AGN nuclear region的金属丰度,而本文探索的是两个正在恒星形成星系的金属丰度。不知道是不是说“观测到的天体在红移4,5处都超过太阳丰度”这样的说法是不是有些不妥,因为金属丰度的增丰过程是不均匀的。不知道这样说对不对。

        • 快乐中微子

          Firefox 8.0.1 Windows 7

          “观测到的天体在红移4,5处都超过太阳丰度”,我想表达的是红移4 ,5处 “都可以”超过太阳丰度,不必惊讶。

          至于Maiolino 和此文说的不是一种天体,我是这么推断的》
          1。 AGN 自己不能产生金属
          2。每一个星系都有或者曾经有一个AGN
          3。 AGN的feedback 号称是阻止了恒星形成
          4。目前观测到的星系的金属丰度梯度在是否超过太阳丰度这问题上可以忽略不计
          5。 综合 1, 2 ,3,4 得出 AGN 是每个活跃星系最后的挣扎,所以如果能探测到这些红移4, 5 AGN 的宿主星系,那么他们也应该是超太阳丰度的,至少核心部分是超太阳丰度。

          当然不能排除之后星系可能焕发第二春,吸收更多的原初气体稀释了已经超太阳丰度的气体。
          另外红移那么高,由于空间分辨率的限制,可能根本看不出来”金属丰度的增丰过程是不均匀的” 这一过程。

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