[論文レビュー] 3D Lyman-alpha radiation transfer. I. Understanding Lyman-alpha line profile morphologies

Anne Verhamme, D. Schaerer+1 more|ArXiv.org|Aug 3, 2006

Photocathodes and Microchannel Plates被引用数 266

ひとこと要約

本稿では、星団内の任意の密度、イオン化度、温度、ダスト、および速度構造を考慮した、Lyman-alpha (Ly𝛼) 光子の3次元モンテカルロ放射遷移コードを提示する。拡張するシェル構造で高い吸収幅（NH ≳ 10²⁰ cm⁻²）を持つ場合、Ly𝛼線の発光ピークは一貫して2倍の拡張速度（2×V_exp）だけ赤方偏移する。これは、z ≈ 3 のLyman break galaxies (LBG) の観測結果と一致し、対称的外流が主要な物理的モデルであることを確認する。

ABSTRACT

Using a Monte Carlo technique, we have developed a 3D lyman-alpha radiation transfer code allowing for prescribed arbitrary hydrogen density, ionisation, temperature structures, and dust distribution, and arbitrary velocity fields and UV photon sources. We have examined the lyman-alpha line profiles predicted for several simple geometrical configurations and their dependence on the main input parameters. Overall, we find line profiles reaching from doubly peaked symmetric emission to symmetric Voigt (absorption) in static configurations with increasing dust content, and asymmetric red-(blue-) shifted emission lines with a blue (red) counterpart ranging from absorption to emission (with increasing line/continuum strength) in expanding (infalling) media. The following results are of interest for the interpretation of lya profiles from galaxies. 1/ Standard lya absorption line fitting of global spectra of galaxies may lead to an underestimate of the true hydrogen column density in certain geometrical conditions. 2/ Normal (inverted) P-Cygni like lya profiles can be obtained in expanding (infalling) media from objects without any intrinsic lya emission, as a natural consequence of radiation transfer effects. 3/ The formation and the detailed shape of lya profiles resulting from expanding shells has been thoroughly revised: for sufficiently large column densities, the position of the main lya emission peak is redshifted by twice the expansion velocity.This is in excellent agreement with the observations of z~3 LBGs. This finding indicates also that large scale, fairly symmetric shell structures must be a good description for the outflows in LBGs.(shortened abstract)

研究の動機と目的

• 星形成銀河における複雑な天体物理学的幾何構造と物理的状態をモデル化できる一般化された3次元Ly𝛼放射遷移コードの開発。
• 簡易なボイートプロファイルフィッティングによる観測されたLy𝛼線形の不一致を、完全な放射遷移効果を組み込むことで解消すること。
• 内因性発光がない状態の外流または降着する媒体における非対称的およびP-Cygni型のLy𝛼線形の物理的起源の解明。
• ダスト、吸収幅、および運動論的要因が、現実的な3次元配置における出射Ly𝛼線形形態に与える影響をテストすること。
• 高赤方偏移銀河およびLyman break galaxies (LBG) におけるLy𝛼線形の解釈に、物理的に根拠を持つツールを提供すること。

提案手法

• 任意の3次元H I、ダスト、および速度場分布を介したLy𝛼光子の伝搬をシミュレートするための3次元モンテカルロ放射遷移コードを開発。
• 純ライン発光、純連続スペクトル、およびライン強度と連続スペクトル強度の可変比を持つ中間的なケースを含む、任意のUV源スペクトルを扱える。
• 放射遷移には共鳴散乱、吸収、ダスト減光を含み、周波数再分配とドップラーシフトを完全に取り扱う。
• 所定の水素密度、イオン化度、温度、ダスト分布に加え、任意の速度場（例えば、拡張または降着するシェル）を組み込む。
• 静的スラブ、ディスク、外部から照射されたスラブ、および拡張／降着するシェルを対象に、多様な形態を探索するためのシミュレーションを実施。
• 既知の極限状態との整合性を確認し、特に拡張するシェルの線形に関する先行結果を再解釈するためにコードを検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内因性発光がない拡張または降着するガス構造における3次元放射遷移効果が、Ly𝛼線形形態にどのように影響を与えるか？
• RQ2 静的またはダストを含む系において、標準的なボイートプロファイルフィッティングが真の水素吸収幅をどの程度低く見積もっているか？
• RQ3 z ≈ 3 のLyman break galaxies で観測された赤方偏移したLy𝛼発光ピークを生じる物理的条件は何か？
• RQ4 ダスト、吸収幅、および運動論的要因の相互作用が、Ly𝛼線形形態を発光から吸収にどのように変換するか？
• RQ5 内因性Ly𝛼発光が存在しない状態でも、外流する媒体における放射遷移のみでP-Cygni型の線形が生じ得るか？

主な発見

• ダスト含有量が増加する静的構造では、Ly𝛼線形形態が対称的な二重ピーク発光から対称的なボイート型吸収に進化し、標準的なボイートフィッティングでは真の水素吸収幅が低く見積もられる。
• 通常のP-Cygni型線形は拡張する媒体で、内因性Ly𝛼発光が存在しない状態でも、放射遷移の結果として出現する。逆に、降着する媒体では逆転P-Cygni型線形が生じる。
• NH ≳ 10²⁰ cm⁻² の高吸収幅を持つ拡張するシェルでは、主なLy𝛼発光ピークが一貫して2倍の拡張速度（2V_exp）だけ赤方偏移する。これは、z ≈ 3 のLBGの観測結果と一致する。
• 2V_expでのこの赤方偏移ピークは、高赤方偏移Lyman break galaxiesに大規模かつ対称的な外流するシェルが存在することを強く支持する。
• 高吸収幅の拡張するシェルにおける放射遷移は根本的に見直されるべきである。ピーク発光位置は、詳細な速度構造に依存せず、2V_expだけ赤方偏移して強くシフトする。
• 本モデルは、吸収幅、ドッパー幅、および内因性線幅のデゲネラシーが実在のものであり、単純な線形フィッティングではなく、完全な3次元放射遷移を用いて解消しなければならないことを示している。