Future Constraints on the Reionization History and the Ionizing Sources from Gamma-ray Burst Afterglows
我们预测的再电离的历史约束，推断从莱曼α阻尼翼吸收功能，为未来的样本$\sim 20$ $z \geq 6$伽马射线暴（GRB）余辉。我们描述了每个余辉光谱的三参数模型。首先，L表征了GRB宿主晕周围电离区域的大小（“气泡大小”）。第二，$\langle{x_{\rm HI}\rangle}$是伽玛暴周围电离泡外部的体积平均中性分数，其近似为空间均匀的。最后，$N_{\mathrm{HI}}$表示与GRB宿主星系相关的局部阻尼莱曼α吸收体（DLA）的柱密度。电离区域的尺寸分布是从再电离的数值模拟中提取的，并且在再电离时期（EoR）强烈地演变。模型DLA柱密度遵循从当前GRB余辉谱确定的经验分布。我们使用Fisher矩阵形式主义预测的$\langle{x_{\rm HI}(z)\rangle}$的限制，可以从后续的余辉光谱与SNR = 20每R=3,000分辨率的元素在连续。我们发现，中性部分可以确定优于10-15\%（1- $σ$）的准确度，从这个数据跨越多个独立的红移箱在$z \sim 6-10$，跨越大部分的EoR，虽然精度下降了一些接近年底的再电离。在$z \geq 6$用$80$伽玛暴余辉进行更有前途的巡天，可以将这里的精度提高一个因子$2$，并将测量范围扩大到$z \sim 14$。我们进一步讨论了如何将这些约束条件与电离光子逃逸分数的估计相结合，从DLA柱密度分布对伽玛…
2021-05-05 astro-ph.CO astro-ph.GA
The afterglow and host galaxy of GRB 090205: evidence for a Ly-alpha emitter at z=4.65
伽马射线暴已被证明在远大于任何其他天体的距离上是可以探测到的，这为研究高红移宇宙提供了最有效的方法，是对普通观测的补充。为此，我们在这里提出的结果，观测活动致力于研究的高Z GRB 090205。我们用ESO-VLT对GRB 090205进行了光学/近红外光谱和成像，从事件发生后的几个小时开始，直到几天后才探测到宿主星系。我们比较了从我们的光学/近红外观测的结果与现有的雨燕高能量数据的爆发。我们的观测活动导致了对GRB 090205的光学余辉和宿主星系的探测，并首次测量了它的红移，z=4.65。与最近的其他高z伽玛暴类似，伽玛暴090205在静止帧中的持续时间很短，T_{90,rf} =1.6 s，这表明它可能属于短伽玛暴类。GRB 090205的X射线余辉显示了一个复杂而有趣的行为，可能在触发时间的500- 1000秒和晚期耀斑活动中出现再亮。对GRB 090205宿主星系的光度观测结果支持一个星暴星系，其恒星星族的年龄小于1.5亿年。此外，由GRB余辉光谱得到的Z > 0.27ZSun的金属丰度是由GRB高Z余辉测量得到的最高值之一，表明爆发发生在一个相当富集的环境中。最后，余辉光谱的详细分析表明，存在一条线对应于莱曼α发射的红移的爆发。因此，GRB 090205在z=4.65处位于典型的莱曼α发射体（LAE）中。这使得GRB 090205宿主星系成为迄今为止最远的GRB宿主星…
2010-06-04 astro-ph.CO astro-ph.HE
Lyman-alpha Heating of Inhomogeneous High-redshift Intergalactic Medium
在再电离期之前的星系际介质（IGM）主要由中性氢气组成。早期恒星产生的Ly-alpha光子共振散射氢原子，导致辐射场和气体之间的能量交换。这种相互作用的结果在适度加热的气体由于反冲的原子散射后，这是非常感兴趣的未来研究的预再电离IGM在HI 21厘米线。我们调查的影响，这Ly-alpha加热的IGM与线性密度，温度和速度扰动。由于Ly-alpha光子的热传导，小于光子扩散长度的扰动可以被阻尼。阻尼发生的尺度和这种效应的强度取决于气体的各种性质，Ly-alpha光子的通量以及光子频率在散射时重新分布的方式。为了找到相关的长度尺度和Ly-alpha加热影响微扰的程度，我们通过数值求解线性化玻尔兹曼方程来计算气体加热速率，其中散射由福克-普朗克近似处理。我们发现：（1）微扰对气体加热速率增加了一个小的修正;（2）温度微扰的衰减发生在同向波数k>10^4 Mpc^{-1}的尺度上，这比金斯尺度小得多，因此不太可能对观测到的21 cm信号产生实质性影响。
2013-12-12 astro-ph.CO
Constraints on dark photon dark matter from Lyman-$α$ forest simulations and an ultra-high signal-to-noise quasar spectrum
本研究通过对比宇宙学流体动力学模拟的合成Lyman-$α$森林数据与超高信噪比类星体光谱观测数据，利用新型通量归一化技术对暗光子暗物质的动力学混合参数施加了稳健限制，并证明该模型能调和模拟与观测的Doppler参数分布，为探索新物理开辟了新途径。
2025-04-03 astro-ph.CO hep-ph
A Rapidly Star-forming Galaxy 700 Million Years After the Big Bang at z=7.51
在几十个z > 7的候选星系中，只有5个通过莱曼α发射得到证实，z=7.008，7.045，7.109，7.213和7.215。这一小部分被确认的星系可能表明星系际介质（IGM）中的中性部分在z > 6.5时迅速上升，因为莱曼α被中性气体共振散射。然而，由于以前的观察样本小，深度有限，这些结论是试探性的。本文报道了对43个z > 6.5星系的深近红外光谱观测结果。我们只探测到一个星系，这证实了一些过程使得莱曼α难以探测。探测到的1.0343微米的发射线可能是莱曼α发射，使这个星系的红移z = 7.51，这是大爆炸后7亿年的一个时期。这个星系的颜色与重要的金属含量一致，这意味着星系迅速变得丰富。我们测量到令人惊讶的高恒星形成率为330 Msol/年，比银河系大100倍以上。这样一个星系在我们的规模调查中是出乎意料的，这表明早期宇宙可能拥有比预期更强烈的恒星形成场所。
2013-10-22 astro-ph.CO
On the Absence of High Metallicity-High Column Density Damped Lyman Alpha Systems: Molecule Formation in a Two-Phase Interstellar Medium
我们认为，缺乏观察到的阻尼莱曼α（DLA）系统，同时具有高HI列密度和高金属性的结果自然从形成的分子在冷相的两相原子介质中的压力平衡。我们的结果同样适用于扩散系统中的紫外线辐射场主要是由河外背景和密集的恒星形成的，其中本地辐射场可能是数量级更高。我们指出，需要这样的辐射不敏感模型来解释使用伽马射线暴余辉观察到的DLA中不存在高柱-高金属丰度系统，因为这些系统可能会受到伽玛射线暴宿主星系中活跃恒星形成产生的强辐射场的影响。此外，我们发现，在DLAs中的最大原子气柱之间的关系设置了一个坚定的上限，在这些系统中，可以在温暖的，扩散相的质量分数。最后，我们认为，我们的结果解释了观察到的缺乏原位恒星形成DLA系统。
2009-07-17 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Optically Unbiased GRB Host (TOUGH) survey. IV. Lyman-alpha emitters
本文报道了对伽马射线暴宿主星系莱曼α辐射的光谱研究结果。基于定义明确的TOUGH样本的69个X射线选择的雨燕伽玛暴，我们有针对性的主机的子样本的20个伽玛暴已知的余辉光谱是在红移范围1.8 - 4.5。我们从20个主机中的7个主机检测到Lya发射，典型的极限3sigma线通量为8E-18 erg/cm 2/s，对应于z = 3时的Lya光度为6E41 erg/s。我们探测到的7个恒星的Lya光度在（0.6 - 2.3）E42 erg/s范围内，对应的恒星形成速率为0.6 - 2.1 Msun/yr（未进行消光校正）。7个主机的静止帧Lya等效宽度（EW）在9 - 40 A的范围内。对于未检测到Lya的13个主机中的6个主机，我们对EW设置了相当强的3 σ上限（<20 A），而对于其他主机，EW要么不受约束，要么具有较低的约束上限。我们发现，Lya EW的分布是不一致的，从Lya EW分布的明亮的莱曼break星系在98.3%的水平，在这个意义上说，TOUGH主机平均有较大的EW比明亮的LBG。我们可以排除一个早期的迹象，根据一个较小的，异质样本的前雨燕伽玛暴主机，所有的伽玛暴主机是Lya发射器。我们发现，TOUGH主机平均有较低的EWs比前雨燕伽玛暴主机，但两个样本只是在92%的水平不一致。Lya线的速度质心相对于系统速度红移了200 - 700 km/s，类似于LBG的情况，可能…
2012-05-25 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Dust-to-metal ratios in damped Lyman-alpha absorbers: Fresh clues to the origins of dust and optical extinction towards gamma-ray bursts
出于对伽马射线暴（GRB）阻尼莱曼α吸收体（DLAs）的文献中推导出的异常尘埃-金属比，我们测量这些比率使用的尘埃耗尽模式在与ISM在GRB宿主星系红移的UV/光学余辉光谱。我们的样品由20个GRB吸收体和72个类星体DLAs组成，红移1.2 < z < 4.0，Z_Sol金属丰度Z = 0.002。类星体和GRB-DLAs的尘埃-金属比随金属丰度和金属柱密度的增加而增加，跨度约为银河值的10- 110%，表明尘埃-金属比是非普遍的。尘埃-金属比的低值表明，低金属量系统的尘埃比例比典型的螺旋星系低，也许这些系统中的尘埃产生效率低下，即在低金属量制度中的晶粒生长，超新星（SNe）和渐近巨星分支（AGB）恒星的贡献可以忽略不计。另一方面，一些GRB-和QSO-DLAs显示出高的尘埃-金属比值到z ~ 4，需要快速的尘埃产生，例如在SN喷出物中，但也在AGB风中，并通过最高金属丰度系统的颗粒生长。GRB-DLAs总体上遵循类星体-DLAs的尘埃-金属比特性，GRB-DLAs探测更大的柱和体积密度。作为比较，我们得出的SMC和LMC的尘埃-金属比分别为银河值的~82- 100%和~98%。文献中低金属量星系I Zw 18（< 37%）的尘埃-金属比与我们发现的分布一致。尘埃消光Av随着尘埃中铁的柱密度（N（Fe）尘埃）急剧增加，从相对金属丰度计算，证实尘埃消光主要发生在主星系ISM中。大多…
2013-10-08 astro-ph.CO
A deep search for the host galaxies of GRBs with no detected optical afterglow
伽马射线暴可以提供高红移恒星形成的信息。即使在没有光学/近红外/射电余辉的情况下，swift/XRT对X射线余辉的高探测率和2-3角秒的定位精度也有利于伽玛暴宿主星系的识别和研究。我们专注于寻找一个样本的17个爆发的XRT误差圆，但没有检测到长波长余辉的宿主星系。其中三个事件也可以被归类为真正的暗爆发：观测到的余辉光通量上限低于基于X射线通量的预期。我们的研究基于使用ESO/VLT仪器进行的深度R和K波段观测，并得到了GROND和NEWFIRM的支持。为了保守起见，我们在半径为90% swift/XRT误差圆两倍的区域内搜索宿主星系。对于17个爆发中的15个，我们发现至少有一个星系在双倍XRT误差圆内。在七种情况下，我们在误差圆中发现了非常红色的物体。最引人注目的例子是GRB 080207的宿主，它的颜色为R-K~4.7等（AB），是有史以来与GRB相关的最红的星系之一。作为我们研究的副产品，我们确定了GRB 070517 A的光学余辉。光学昏暗的余辉是由宇宙学的Lyman drop out和尘埃消光引起的，但前者只适用于少数情况（<1/3）。宿主星系中的尘埃导致的灭绝可能解释了所有其他事件。因此，这些宿主中似乎不可忽略的一部分是全球尘埃笼罩的极端红色星系。这表明，光学暗淡的余辉的爆发跟踪大质量星暴星系的子群，这是显着不同的主体的伽玛射线暴的宿主星系人口，即蓝色，亚发光，紧凑的星系…
2012-08-01 astro-ph.CO astro-ph.HE
Evidence for Supernova-Synthesised Dust from the Rising Afterglow of GRB 071025 at z~5
本文对雨燕GRB 071025的宽带余辉进行了观测和分析。使用光学和红外（RIYJHK）测光，我们得到了4.4 < z < 5.2的光度红移;在这个红移下，我们的同步多色观测开始于主框架中GRB触发后约30 s和余辉的初始上升阶段。我们将观测者坐标系中580 s处的光变曲线峰值与前向激波的形成联系起来，给出了初始洛伦兹因子γ_0 ~ 200的估计。红色光谱的能量分布（即使在没有受到莱曼-α突变影响的区域）提供了一个大尘埃柱的可靠证据。然而，推断出的消光曲线在2000-3000埃之间的静止框架中显示出一个突出的平坦部分，与任何当地观测到的模板不一致，但与超新星形成的尘埃模型非常吻合。与时间相关的消光曲线拟合显示没有尘埃破坏的证据，并将消光柱的减少限制在静止坐标系中t = 50 s后的Δ A_3000 < 0.54 mag。我们的观测结果提供了在z~5处尘埃性质转变的证据，与高z类星体的研究一致，并表明SN形成的尘埃继续主导典型星系在此红移处的不透明度。
2010-01-27 astro-ph.CO astro-ph.HE
Molecular Hydrogen in the Damped Lyman-alpha System towards GRB 120815A at z=2.36
本文报道了在伽玛暴120815 A的余辉光谱中发现了分子氢（H_2），包括振动激发的H_2^*。来自GROND和Swift/XRT的X射线观测的同时测光宽波段数据进一步限制了视线沿线尘埃的数量和性质。GRB 120815 A的银河系环境的特征是强DLA，log（N（H2）/cm^-2）= 21.95 +/- 0.10，莱曼-维尔纳带中有显著的H2吸收（log（N（H2）/cm^-2）= 20.53 +/- 0.13），因此分子气体分数log f（H2）=-1.14 +/- 0.15。吸收中性气体和GRB 120815 A之间的距离d通过Fe II和Ni II的精细结构和亚稳跃迁的光激发建模被约束为d = 0.5 +/- 0.1 kpc。DLA金属量（[Zn/H] = -1.15 +/- 0.12），视觉消光（A_V < 0.15 mag）和粉尘消耗（[Zn/Fe] = 1.01 +/-0.10）介于在高光谱分辨率下观测到的缺乏H_2的GRB-DLAs值和近似太阳金属丰度之间，高度模糊的富氢GRB 080607视线。就N（H）、金属丰度以及尘埃消光和贫化而言，GRB 120815 A相当代表GRB-DLAs的平均性质。这表明，分子氢存在于至少一部分更典型的GRB-DLA中，并且H_2和H_2^* 在GRB选择的系统中的分布可能比以前检测到的少数例子所暗示的更广泛。
2013-06-26 astro-ph.CO
VLT/UVES and FORS2 spectroscopy of the GRB 081008 afterglow
通过对伽马射线暴GRB 081008的光学余辉光谱的分析，研究了它的环境。在Swift触发后约5小时获得GRB 081008的UVES高分辨率光谱。我们的数据集还包括三个FORS 2几乎同时光谱的同一来源。几乎同时获得伽玛射线暴余辉的高、低分辨率光谱是极其罕见的。在z = 1.9683的GRB阻尼Lyman Alpha系统表明，主星系的星际介质（ISM）至少由三个分量组成，这三个分量对线轮廓有贡献。分量I是最红的分量，向红的分量II和分量III分别为20 km/s和78 km/s。我们检测到几个基态和激发吸收功能的组件I和II。这些特征已被用来计算伽玛暴和吸收体之间的距离。分量I与γ暴的距离为52 +/-6pc，而分量II几乎没有激发跃迁，其距离为200+60-80 pc。与GRB 081008相关的氢柱密度为log NH/cm^-2 = 21.11 +/- 0.10，宿主星系的金属丰度在[X/H] = -1.29到-0.52之间。特别地，我们发现相对于太阳值，[Fe/H]=-1.19 +/-0.11和[Zn/H]=-0.52 +/-0.11。这种差异可以解释的存在下，灰尘的伽玛射线暴ISM，铁和锌的相反的耐火性能。通过推导GRB 081008的耗尽模式，我们发现在可见光波段的消光系数为AV ~ 0.19 MAG。应用于FORS 2光谱的生长曲线分析使柱密度在3 σ水平上与使用线性…
2011-08-04 astro-ph.CO astro-ph.HE
The metallicity and dust content of a redshift 5 gamma-ray burst host galaxy
对长伽马射线暴（GRB）余辉的观测，使我们能够研究宇宙历史上大部分时期的恒星形成星系。在这里，我们提出了GRB 111008 A的观测，从中我们可以测量金属丰度，化学丰度模式，尘埃-金属比和GRB宿主星系在z=5.0的消光。主体吸收系统是阻尼莱曼-α吸收器（DLA），具有非常大的中性氢柱密度，log N（HI）/cm^（-2）= 22.30 +/- 0.06，金属度[S/H]= -1.70 +/- 0.10。它是具有如此精确金属丰度测量的最高红移伽玛暴。精细结构线的存在证实了z=5.0系统是伽玛暴的宿主星系，并使其成为Fe II精细结构线被探测到的最高红移。余辉呈轻微红色，A_V = 0.11 +/- 0.04等，宿主星系的尘埃与金属比等于或低于本星系群的典型值。
2014-03-12 astro-ph.CO
The distribution of equivalent widths in long GRB afterglow spectra
伽玛射线暴（GRB）余辉的极高亮度和简单的光谱形状使其成为通过吸收线光谱研究宿主星系星际介质的理想信标。利用69条低分辨率GRB余辉谱，研究了平均静止框架等效宽度（EW）大于0.5A的特征的静止框架等效宽度（EW）分布。为了比较一个单独的伽玛射线暴的样品，我们开发了EW图作为图形工具，我们给出了一个目录与图表的69个光谱。我们引入了一个线强度参数（LSP），使我们能够量化的吸收功能的强度相比，由一个单一的数字的样品。使用单物种特征的EW的分布，我们通过生长曲线（CoG）拟合得到列密度的分布。我们发现LSP与伽玛暴的消光、宿主星系的紫外亮度和中性氢柱密度之间存在相关性。然而，我们没有看到LSP随红移的显著演化。有一个弱的相关性之间的电离的吸收剂和GRB的能量，这表明，要么GRB事件是负责的电离的一部分，或具有高电离介质的星系产生更多的精力充沛的GRB。伽玛射线暴的光谱特征平均比类星体阻尼莱曼α（DLA）系统强2.5倍，电离程度略高。特别是我们发现CIV 1549的EW相对于类星体DLAs有较大的过剩，这可能与伽玛暴环境中沃尔夫-拉叶星的过剩有关。从CoG拟合中我们得到伽玛暴吸收特征的平均分量数为6.00（-1.25，+1.00）。在我们的样本中，最极端的电离比被发现的伽玛射线暴与低中性氢柱密度，这可能与电离的伽玛射线暴发射。
2012-09-05 astro-ph.CO astro-ph.GA
The First Positive Detection of Molecular Gas in a GRB Host Galaxy
我们报道了伽马射线暴（GRB）080607的宿主星系内气体对H2和CO的强吸收。对凯克/LRIS余辉光谱的分析显示，在z_GRB = 3.0363处有一个非常大的HI柱密度（NHI = 10^22.70 cm^-2）和很强的金属线吸收，金属丰度大致与太阳相当。我们从CO中探测到一系列A-X带头，估计N（CO）= 10^16.5 cm^-2，T_ex^CO > 100 K。我们认为，高激发温度的结果从紫外泵浦的CO气体的伽玛射线暴余辉。类似地，我们通过莱曼-维尔纳带观测到了H2的吸收，并估算出N（H2）= 10^21.2 cm^-2，T_ex^H2 = 10- 300 K。余辉光度测定表明，消光定律为R_V=4，A_V=3.2等，并要求存在适度的2175 A凸点。此外，对Swift/XRT X射线光谱的建模证实了一个大的柱密度，N（H）= 10^22.58 cm^-2。值得注意的是，这种分子气体具有消光特性，金属丰度和CO/H2比，与银河系的半透明分子云相当，这表明在高z下的恒星形成过程与今天的环境相似。然而，综合尘埃与金属的比例是亚银河系的，这表明尘埃主要与分子相关联，而原子气体的尘埃与气体的比例要低得多。像GRB 080607这样的视线是年轻宇宙中核合成和恒星形成区域的有力探针，并有助于形成“黑暗”的GRB余辉。
2009-01-05 astro-ph.CO astro-ph.HE
High Precision Analyses of Lyman alpha Damping Wing of Gamma-Ray Bursts in the Reionization Era: On the Controversial Results from GRB 130606A at z = 5.91
Swift GRB 130606 A在z = 5.91处的空前明亮的余辉给我们提供了一个通过高精度分析Ly α吸收的红阻尼翼来探测再电离时代的独特机会，但不同望远镜观测到的光谱对星系际介质（IGM）中中性氢分数（fHI）的限制是矛盾的。在这里，我们研究的起源，这种差异进行分析的频谱VLT与我们自己的分析代码以前用于适应斯巴鲁频谱。虽然VLT团队没有报告使用VLT光谱的IGM HI的证据，但我们证实了我们之前的结果，即更喜欢非零IGM HI（当IGM HI扩展到GRB红移时，最佳拟合f_HI ~ 0.06）。不含IGM HI的模型的VLT光谱拟合残差显示出与斯巴鲁光谱相同的系统趋势。我们认为，两个小组之间的差异可能是由于配件所采用的波长范围不同;我们的波长范围比VLT团队的更宽，而且我们避免了深Ly α吸收的最短波长范围（lambda_obs < 8426 A），因为这一区域主要由宿主星系中的HI控制，并且宿主星系HI速度分布的系统不确定性很大。我们还研究了这些结果的灵敏度，通过Ly α截面公式，从经典的洛伦兹函数到最近的一个考虑到完全量子力学散射。研究发现，对非零IGM HI的偏好对截面公式的选择是稳健的，但它在定量上是不可忽略的，因此在未来的分析中应该小心。
2015-11-25 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
GRB Probes of the Early Universe with EXIST
随着雨燕探测器在z = 8.2处探测到GRB 090423，证实了伽马射线暴现在可以在比活动星系核（显着）更大的红移处被探测到，因此确实可以被用作早期宇宙的探测器。拟议中的高能X射线成像巡天望远镜（EXIST）任务旨在探测和迅速测量红移，以及红移z~18的伽马射线暴的软X射线（0.1 - 10 keV）和同步nUV-nIR（0.3 - 2.3微米）成像和光谱，这包括（甚至超过）目前对Pop III星的估计，预计这些星是大质量的，可能是伽马射线暴源。如果将雨燕的灵敏度换算为EXIST的10倍，可能会探测到超过100个z>= 8的伽玛暴，并将对第一批恒星和星系的形成和演化提供直接的约束。对于红移z>= 8的伽玛暴，莱曼破裂大于1.12微米，在激发后约3000秒内，AB星等分别大于24或20的余辉的分辨率R = 30或R = 3000的光谱将直接探测再电离时代、星系形成和宇宙星形成速率。拟议中的EXIST任务可以探测这些问题，以及许多其他问题，因为它具有无与伦比的灵敏度和空间-光谱-时间覆盖范围和分辨率。在这里，我们概述了GRB作为早期宇宙和极端物理探测器的关键科学目标，以及将其带入EXIST的任务计划和技术准备。
2010-08-19 astro-ph.CO
