利用高红移伽马射线暴探测前星系金属增丰

我们探索高红移伽马射线暴（GRBs）作为探测前星系金属增丰的有力工具。我们利用在原始矮星系中爆发的 Pop III GRB 的明亮余辉作为发光背景源，计算了由星际介质（IGM）中首批重元素印刻的金属吸收线强度。为了推导 GRB 吸收线诊断，我们使用了一个现有的高分辨率模拟，该模拟描述了首个星系的形成，其特征是在维里温度 >10^4 K 的光晕中原子氢冷却的开始。我们探索了容纳 Pop III 恒星的系统内部异常的爆周环境，使用香槟流的自相似解对密度演化进行建模。对于接近冷却阈值的微晕，爆周密度大致与 (1+z) 成正比，数值约为几 cm^{-3}。在对应于首批星系的更大质量光晕中，密度可能更大，n>100 cm^{-3}。由此产生的余辉通量可能在近红外和无线电波段分别被 JWST 和 VLA 探测到，红移可达 z>20。我们预测，余辉辐射的峰值会从近红外波段移至毫米波段，在不同观测时间的峰值通量从 mJy 到 Jy 不等。由于其高光度和无特征的幂律谱，GRBs 是探测早期 IGM 金属增丰的理想工具。首批星系中由首批超新星（SN）爆发产生的金属可能处于低电离阶段。我们表明，如果能在足够早的时间观测到余辉，通过对金属线的分析可以区分首批重元素是在 PISN 还是核坍缩（II 型）SN 中产生的，从而约束首批恒星的初始质量函数。