利用伽玛暴探测高红移恒星形成历史

Gamma-ray bursts (GRBs) are the most luminous explosions ever detected in the Universe, which are short intense flashes of gamma-rays from cosmological distances. GRBs can be divided into two groups according to their observed duration. Long bursts with T>2s and short ones with T<2s. As the most luminous events, GRBs are thought to be an ideal tool to study the high-redshift Universe. Especially, as a result of the death of massive stars, long GRBs are thought to be a unique probe of the star formation history. In this project, we plan to study the following issues. 1. Understanding the relationship between the long GRB rate and star formation rate. 2. Analyzing the properties of first stars with GRBs. 3. Using observed GRBs to study the high-redshift star formation history, in order to improve our understanding of the cosmic reionization.

伽玛射线暴（简称伽玛暴）是宇宙中最剧烈的爆发现象，是来自宇宙空间中某一方向的伽玛射线在短时间内突然增强，随后又迅速减弱的现象。根据其持续时间，伽玛暴可以分为长伽玛暴（持续时标大于2秒）和短伽玛暴（持续时标小于2秒）两类。极高的光度意味着伽玛暴是研究高红移宇宙的理想工具。特别的，长伽玛暴与大质量恒星死亡的相关性，意味着长伽玛暴可以作为恒星形成历史的探针。本项目计划研究以下三个方面的问题：（1）伽玛暴诞生率与恒星形成率之间是否存在系统偏差，并确定两者的关系。（2）伽玛暴的宇宙学应用，利用伽玛暴研究第一代恒星的性质。（3）利用伽玛暴研究高红移恒星形成历史，以期获得关于宇宙再电离历史的新认识。

本项目主要利用伽玛暴作为高红移恒星形成历史的探测工具，开展了以下方面的研究：（1）分析长伽玛暴诞生率与恒星形成率的相关性；（2）研究伽玛暴对高红移恒星形成历史的限制。. 在项目执行期间，我们的主要研究内容和结果总结如下。收集了目前最大的具有红移和瞬时发射信息的Swift长伽玛暴（时长大于2s）样本，分析了不同红移区间下的光度分布的差异，在红移1到4区间没有发现其光度分布有明显的演化。然后，分别利用N-body数值模拟和观测数据，从理论上估算了不同金属丰度下产生的伽玛暴累积红移分布，在与观测样本比较分析后，发现长伽玛暴确实更倾向于在低金属丰度环境下产生。另外，还估算了长伽玛暴宿主星系的金属丰度分布并与观测进行比较，结果进一步确认了长伽玛暴的这种低金属丰度倾向。利用Swift长伽玛暴数据，对能形成恒星的暗物质晕的质量下限给出了一定程度的限制。