连接伽马射线暴发生率与宇宙恒星形成历史：对再电离和星系演化的启示

(摘要精简) 当代对高红移星系和伽马射线暴 (GRB) 的发现，提供了宇宙年龄仅几亿年时恒星形成的第一手直接信息。长持续时间 GRB 的可能起源——大质量恒星的死亡——会将宇宙 GRB 发生率与依赖于红移的恒星形成率密度联系起来，尽管具体如何联系目前尚不清楚。由于最遥远的 GRB 和恒星形成星系探测的是再电离纪元，理解 GRB 发生率与恒星形成率之比 Psi(z) 随红移的依赖关系具有巨大的潜在回报，包括解决诸如静止系紫外巡天在确定高红移恒星形成率时的不完备性以及恒星初始质量函数随时间变化等基本问题。利用从第二期 Swift 爆发警报望远镜星表中抽取的、在固定光度极限以上的 112 个 GRB 大样本，我们比较了 GRB 的累积红移分布 N(< z) 与在 0 < z < 4 范围内由紫外选取星系测得的恒星形成密度 rho_sfr(z)。强演化 (例如 Psi(z) \propto (1+z)^{1.5}) 不被支持，而较温和的演化 (例如 Psi(z) \propto (1+z)^{0.5}) 与数据相符。如果此类趋势延续到 z ~ 4 以外，我们发现遥远 GRB 的发现率意味着一个远高于紫外选取星系所推断的恒星形成率密度。我们证明，这样的恒星形成历史会高估在 z > 4 处由静止系光学巡天测得的观测恒星质量密度。这一重要分歧的解决目前尚不清楚，而早期 GRB 的产生率可能比简单的恒星形成率和前身星金属丰度函数更为复杂。