[論文レビュー] An OVI Baryon Census of the Low-z Warm-Hot Intergalactic Medium

Charles Danforth, J. Michael Shull|ArXiv.org|Jan 4, 2005

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 90

ひとこと要約

本研究では、FUSE分光法を用いて、赤方偏移 z < 0.15 の40の銀河間物質系におけるO VI吸収を検出しており、弱い吸収体がバリオンの集計に顕著に寄与していることを示す急勾配のO VI吸収光学密度分布（dN_OVI/dN ∝ N_OVI^−2.2±0.1）を明らかにした。温暖・高温銀河間物質（WHIM）ガスが10⁵–10⁶ Kの温度領域に存在する場合、局所宇宙における全バリオン質量の少なくとも4.8%が寄与しており、金属量およびイオン化分率の不確実性を考慮すると、最大で10%の寄与が可能であることが示された。

ABSTRACT

Intergalactic absorbers along lines of sight to distant quasars are a powerful diagnostic for the evolution and content of the intergalactic medium (IGM). In this study, we use the FUSE satellite to search 129 known lya absorption systems at z&lt;0.15 toward 31 AGN for corresponding absorption from higher Lyman lines and the important metal ions OVI. We detect OVI in 40 systems over a smaller range of column density than seen in HI. The co-existence of OVI and HI suggests a multiphase IGM, with warm photoionized and hot ionized components. With improved OVI detection statistics, we find a steep distribution in OVI column density, dN(OVI)/dN_OVI N_OVI^(-2.2+-0.1), suggesting that numerous weak OVI absorbers contain baryonic mass comparable to the rare strong absorbers. The total cosmological mass fraction in this hot gas is at least Omega_WHIM=(0.0022+-0.0003. Gas in the WHIM at 10^5-6 K contributes at least 4.8+-0.9% of the total baryonic mass at z&lt;0.15. We then combine empirical scaling relations for the observed "multiphase ratio", N_HI/N_OVI N_HI^(0.9+-0.1), and for hydrogen overdensity in cosmological simulations, N_HI delta_H^{0.7}, with the HI photoionization correction to derive the mean oxygen metallicity, Z_O (0.09 Z_sun)(f_OVI/0.2)^(-1) in the low-z multiphase gas. Given the spread in the empirical relations and in f_OVI, the baryon content in the OVI WHIM could be as large as 10%. Our survey is based on a large improvement in the number of OVI absorbers (40 vs. 10) and total redshift pathlength (dz 2.2 vs. dz 0.5) compared to earlier surveys.

研究の動機と目的

• 高感度 FUSE 分光法を用いて、低赤方偏移における温暖・高温銀河間物質（WHIM）の O VI バリオン含有量を測定すること。
• O VI 吸収体の光学密度分布および宇宙バリオン予算への寄与に関する統計的制約を改善すること。
• H I と O VI 吸収体の相関を分析することで、IGM の多相構造を調査すること。
• 観測された O VI-H I 関係を用いて、WHIM における酸素金属量およびイオン化分率の経験的制約を導出すること。

提案手法

• 31個のAGNを指向する、z < 0.15 における既知の129個のLyα吸収系をFUSEで調査し、O VIおよびC III吸収線を検出した。
• O VI 光学密度を測定し、完全性補正を適用して微分的数密度分布 dN_OVI/dN_OVI を導出した。
• H I 光駆動イオン化補正および経験的スケーリング則（N_HI ∝ δ_H^0.7 および N_HI/N_OVI ∝ N_HI^0.9）を用いて、IGM 内の平均酸素金属量を推定した。
• 式 Ω_WHIM = 0.0022 ± 0.0003 × [h_70 (Z_O/0.1Z_⊙)(f_OVI/0.2)]⁻¹ を用いて、宇宙論的質量分率を WHIM ガスの割合として計算した。
• 結果を宇宙論的シミュレーションおよび過去の調査と比較し、完全性および統計的有意性を評価した。
• 将来のデータに対して最尤法を適用し、金属量、赤方偏移の進化、イオン化状態に関する傾向を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低赤方偏移 WHIM における O VI 吸収体の光学密度分布はどのようなものであり、H I 分布とどのように比較できるか？
• RQ2 10⁵–10⁶ K の温度領域で O VI によって示される WHIM 阶層に、局所バリオン質量のどの程度が含まれるか？
• RQ3 観測された O VI-H I 光学密度比は、IGM の多相構造および金属量にどのような制約を課えるか？
• RQ4 弱い O VI 吸収体が WHIM の全バリオン質量にどの程度寄与しているか？
• RQ5 観測された O VI 分布は、現在の WHIM 検出調査の完全性にどのような意味を持つのか？

主な発見

• O VI 光学密度分布は急勾配のべき乗則に従う：log N_OVI ≥ 13.4 の範囲で dN_OVI/dN_OVI ∝ N_OVI^−2.2±0.1 であり、弱い吸収体がバリオン集計に顕著に寄与していることを示している。
• O VI によって示される WHIM 階層における全宇宙論的質量分率は、少なくとも Ω_WHIM = 0.0022 ± 0.0003 × [h_70 (Z_O/0.1Z_⊙)(f_OVI/0.2)]⁻¹ であり、z < 0.15 の範囲で全バリオン質量の 4.8% ± 0.9% に相当する。
• O VI 吸収体の数密度は dN_OVI/dz ≈ 17 ± 3 /単位赤方偏移（30 mÅ 等価幅まで）であり、弱い吸収体の発生頻度が極めて高いことを示している。
• 多相比 N_HI/N_OVI ∝ N_HI^0.9±0.1 は、H I と O VI がIGM の異なる段階を示しており、光駆動イオン化および高温イオン化成分を有するコア-ハロー構造を支持している。
• O VI WHIM におけるバリオン含有量は、酸素金属量および O VI イオン化分率の不確実性を考慮すると、最大で10%に達する可能性がある。
• 結果から、現在の O VI 調査では WHIM バリオンの顕著な一部が見逃されていることが示され、特にX線で検出可能な高温領域のWHIMについては、将来的なX線ミッションが完全な集計を達成するために不可欠であると考えられる。