The Long/Short GRB Host galaxy dichotomy: mutual interactions between environment and progenitor

Abstract

GRBs are among the most luminous explosions that we can observe in the Universe. They are known to happen during the collapse of massive stars (long GRBs) or during the merger of two neutron stars (short GRBs). This thesis aims to provide new insights into the dichotomy between short and long GRBs through the study of their observational properties as well as the study of the physical conditions of their environments.

GRBs are commonly divided into two types based on their observational properties and their assumed progenitors. In both cases, the product of this cataclismic events is a newborn massive neutron star or a black hole. An accretion disk is formed around the central engine and highly collimated ultrarelativistic jets are launched orthogonally to the accretion disk. These jets have two distinct observational phases. The first one, the so-called prompt emission is characterised by an extremely luminous and highly variable gamma-ray emission that is believed to be produced by internal shocks within the jets. The second electromagnetic emission is produced when the jet interacts with the circumburst medium and is decelerated, emitting synchrotron light produced by the accelerated particles within the collision. Traditionally, the distinction between short and long GRBs has been done through the duration of their prompt emission with a dividing line of ≈ 2s between long and short GRBs. However, some recent events challenge this division.

The distinction between short and long GRBs is not always clear, particularly in cases where long GRBs exhibit features resembling those of short GRBs with extended emission. In some of these events, kilonovae (KNe) have been detected, indicating a merger origin. Their different progenitors might be indicative of different environments. While collapsars typically occur in strongly star-forming, low metallicity regions of star-forming galaxies, mergers are detected in many different galaxy types, from star-forming to more massive and passive galaxies. And some of them are even located outside their host galaxies

In this thesis we study one example for each GRB type using different methods. GRB160410A a short GRB for which we carried out the first (and only to date) study on the chemical abundances in its immediate environment, specifically, a short GRB with an extended emission during the prompt phase. We analysed its afterglow and, in particular, studied its spectrum observed by the X-shooter spectrograph on at the Very Large Telescope. This burst was located at redshift 1.7177, one of the furthest ever detected short GRBs and one of the very few short GRB with a redshift determined from absorption lines in its afterglow spectrum. Our study revealed a very metal-poor environment, an unexpected result for this GRB type. Binary NSs require long delay times to merge as they lose gravitational energy through gravitational waves emission, which is a slow process in its early phases. However, a scenario in which a binary system evolves rapidly is a non-negligible possibility. In the case of GRB160410A, the system would need a relatively rapid evolution to merge, considering its high redshift. This short GRB revealed that these explosions can also happen in an environment with low metal content. A more common short GRB was GRB201221D, also included in this work. Although a chemical study was not possible for this burst, the spectrum revealed a low ionisation environment which could be indicative of the short burst happening in a young galaxy with a relatively low amount of massive stars.

The second GRB presented in this thesis, GRB210610B, was a long GRB for which we obtained polarimetric, spectroscopic and photometric observations of its GRB afterglow, as well as late photometric observations of the host galaxy. The analysis of this burst revealed a dust-free long burst with a moderate polarisation degree at early stages associated with an ordered magnetic fields linked to a reverse shock. The polarisation level vanished achromatically towards the end of a plateau in its light curve evolution when the forward shock starts dominating the light curve and finally the polarisation increases to low levels in the final decay of the light curve, which could be indicative of small asymetries in the emitting region or due to turbulent magnetic fields.

Finally, we study the properties of collapsar-origin GRB host galaxies using the SHOALS sample with data covering from the UV to the MIR bands. SHOALS is the largest GRB host sample to date and based on several Spitzer large programs, complemented by data from GTC, HST, VLT and other facilities. We study a subsample of 61 galaxies from the SHOALS sample of 61 host galaxies with secure redshift masurements and with photometric detections in different bands, allowing for good spectral coverage. We perform Spectral Energy Distribution (SED) fit using the CIGALE code to obtain galaxy integrated properties such as stellar mass, star fomation rate (SFR), extinction, metallicity and the age of the main stellar population.

The SED analysis reveals that long GRB hosts are galaxies with a high SFR and overall low metallicities. The stellar mass distribution spans several orders of magnitude although it seems to show some trend towards lower masses but not to the lowest-end of the stellar mass distribution for field galaxies. The specific SFR is at the very upper range of the distribution for field galaxies which points to a high ongoing SFR at any host galaxy mass. Ongoing star formation episode is high comparatively to the total stellar mass. This is in agreement with the young age for the main stellar population and with the low metallicity we find.

Our results suggest that long GRBs occurring from the collapse of massive stars preferentially happen in galaxies with high SFR and low metallicity with overall relatively low stellar masses. This is consistent with previous studies (Krühler et al. 2015; Perley et al. 2016b; Palmerio et al. 2019) and this results also support the idea of collapsar GRBs happening in different environment than the one of merger GRBs.

Las explosiones de rayos gamma (GRBs por sus siglas en inglés) se encuentran entre las explosiones más luminosas que podemos observar en el Universo. Se sabe que ocurren durante el colapso de estrellas masivas (GRBs largos) o durante la fusión de estrellas de neutrones (GRBs cortos). Esta tesis tiene como objetivo proporcionar nuevos conocimientos sobre la dicotomía entre los GRBs cortos y largos mediante el estudio de sus propiedades observacionales, así como las condiciones físicas de los entornos en los que ocurren.

Los GRBs suelen dividirse en dos tipos, según sus propiedades observacionales y sus supuestos progenitores. Pueden originarse en el colapso de una estrella masiva al final de su vida o en la fusión de dos objetos compactos. En ambos casos, el producto de estos eventos catastróficos es una estrella de neutrones masiva recién nacida o un agujero negro. Alrededor del motor central se forma un disco de acreción y se lanzan chorros ultrarrelativistas altamente colimados de forma ortogonal al disco. Estos chorros tienen dos fases observacionales distintas. La primera, conocida como emisión inicial (o prompt emission), se caracteriza por una emisión de rayos gamma extremadamente luminosa y altamente variable que se cree es producida por choques internos dentro de los chorros. La segunda emisión electromagnética ocurre cuando el chorro interactúa con el medio circundante (el circumburst medium) y se desacelera, emitiendo luz sincrotrón generada por las partículas aceleradas en la colisión. Tradicionalmente, la distinción entre GRBs cortos y largos se ha hecho según la duración de su emisión inicial, con una línea divisoria de aproximadamente 2 segundos entre ambos tipos. Sin embargo, algunos eventos recientes desafían esta división.

La distinción entre GRBs cortos y largos no siempre es clara, particularmente en casos donde los GRBs largos exhiben características similares a los GRBs cortos con emisión extendida. En algunos de estos eventos, se han detectado kilonovas (KNe), lo que apunta a un origen por fusión. Sus diferentes progenitores sugieren entornos distintos: mientras que los collapsars suelen ocurrir en regiones de formación estelar intensa y baja metalicidad en galaxias con formación estelar, las fusiones se detectan en muchos tipos de galaxias, desde galaxias con formación estelar hasta galaxias más masivas y pasivas. Algunas incluso están ubicadas fuera de sus galaxias anfitrionas.

En esta tesis estudiamos un ejemplo de cada tipo de GRB utilizando diferentes métodos. El GRB 160410A, un GRB corto, fue objeto del primer (y único hasta la fecha) estudio sobre las abundancias químicas en el entorno de un GRB corto, específicamente uno con emisión extendida durante su fase inicial. Analizamos su postluminosidad (afterglow) y, en particular, el espectro de su postluminosidad observado por el espectrógrafo X-shooter en el Very Large Telescope (VLT). Este evento se detectó a un corrimiento al rojo de 1.7177, uno de los GRBs cortos más lejanos jamás detectados y uno de los pocos con un corrimiento al rojo determinado a partir de líneas de absorción en su espectro de postluminosidad. Nuestro estudio reveló un entorno con muy baja metalicidad, un resultado inesperado para este tipo de GRB. Los GRBs cortos requieren largos tiempos de retraso para fusionarse, ya que pierden energía gravitacional mediante la emisión de ondas gravitacionales, un proceso lento en sus fases iniciales. Sin embargo, un escenario en el que un sistema binario evoluciona rápidamente es una posibilidad no despreciable. En el caso de GRB 160410A, el sistema necesitaría una evolución relativamente rápida para fusionarse, considerando su alto corrimiento al rojo. Este GRB corto reveló que estas explosiones también pueden ocurrir en entornos con bajo contenido metálico. Otro GRB corto incluido en este trabajo fue GRB 201221D. Aunque no fue posible realizar un estudio químico para este evento, su espectro reveló un entorno de baja ionización, lo que podría ser indicativo de que el estallido ocurrió en una galaxia joven.

El segundo GRB presentado en esta tesis, GRB 210610B, fue un GRB largo para el cual obtuvimos observaciones polarimétricas, espectroscópicas y fotométricas de su postluminosidad, así como observaciones fotométricas tardías de su galaxia anfitriona. El análisis de este evento reveló un GRB largo sin polvo y con un grado moderado de polarización en sus etapas tempranas, asociado con campos magnéticos ordenados vinculados a un choque inverso (reverse shock). El nivel de polarización desapareció de manera acromática hacia el final de una meseta en la evolución de su curva de luz, cuando el choque directo (forward shock) comenzó a dominar la emisión. Finalmente, la polarización aumentó a niveles bajos en la fase de decaimiento final, lo que podría ser indicativo de pequeñas asimetrías en la región emisora o debido a campos magnéticos turbulentos.

Finalmente, estudiamos las propiedades de las galaxias anfitrionas de GRBs de origen collapsar utilizando la muestra SHOALS, que incluye datos que abarcan desde bandas UV hasta MIR. SHOALS es la mayor muestra de galaxias anfitrionas de GRBs recopilada hasta la fecha y se basa en varios programas de gran escala de Spitzer, complementados con datos del GTC, HST, VLT y otras instalaciones. Estudiamos una submuestra de 61 galaxias de SHOALS con corrimientos al rojo bien determinados y detecciones fotométricas en diferentes bandas, lo que permite una buena cobertura espectral. Realizamos ajustes de Distribución de Energía Espectral (SED, por sus siglas en inglés) utilizando el código CIGALE para obtener propiedades integradas de las galaxias, como la masa estelar, la tasa de formación estelar (SFR, por sus siglas en inglés), la extinción, la metalicidad y la edad de la población estelar principal.

El análisis SED revela que las galaxias anfitrionas de GRBs largos tienen una alta SFR y, en general, bajas metalicidades. La distribución de masas estelares abarca varios órdenes de magnitud, aunque parece mostrar una tendencia hacia masas más bajas, pero no hacia el extremo inferior de la distribución de masas estelares de galaxias de campo. La SFR específica (sSFR, por sus siglas en inglés) se encuentra en el rango superior de la distribución para galaxias de campo, lo que apunta a una alta tasa de formación estelar continua en cualquier masa de galaxia anfitriona. Este episodio de formación estelar en curso es alto en comparación con la masa estelar total, lo que concuerda con la edad joven de la población estelar y con la baja metalicidad que encontramos.