[論文レビュー] CEERS: Diversity of Lyman-Alpha Emitters during the Epoch of Reionization

Intae Jung, Steven L. Finkelstein+30 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 23

ひとこと要約

本論文は JWST/NIRSpec スペクトルを用いて3つの z~7.5 の LAE を分析し、それらの ISM 特性、Lyα 発光、および推定されるイオン化したバブルのサイズを特徴づけ、再電離期における多様な Lyα エスケープ・シナリオを明らかにしている。

ABSTRACT

We analyze rest-frame ultraviolet to optical spectra of three $z\simeq7.47$ - $7.75$ galaxies whose Ly$α$-emission lines were previously detected with Keck/MOSFIRE observations, using the JWST/NIRSpec observations from the Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) survey. From NIRSpec data, we confirm the systemic redshifts of these Ly$α$ emitters, and emission-line ratio diagnostics indicate these galaxies were highly ionized and metal poor. We investigate Ly$α$ line properties, including the line flux, velocity offset, and spatial extension. For the one galaxy where we have both NIRSpec and MOSFIRE measurements, we find a significant offset in their flux measurements ($\sim5 imes$ greater in MOSFIRE) and a marginal difference in the velocity shifts. The simplest interpretation is that the Ly$α$ emission is extended and not entirely encompassed by the NIRSpec slit. The cross-dispersion profiles in NIRSpec reveal that Ly$α$ in one galaxy is significantly more extended than the non-resonant emission lines. We also compute the expected sizes of ionized bubbles that can be generated by the Ly$α$ sources, discussing viable scenarios for the creation of sizable ionized bubbles ($>$1 physical Mpc). The source with the highest-ionization condition is possibly capable of ionizing its own bubble, while the other two do not appear to be capable of ionizing such a large region, requiring additional sources of ionizing photons. Therefore, the fact that we detect Ly$α$ from these galaxies suggests diverse scenarios on escape of Ly$α$ during the epoch of reionization. High spectral resolution spectra with JWST/NIRSpec will be extremely useful for constraining the physics of patchy reionization.

研究の動機と目的

• Keck/MOSFIRE によって検出された z~7.47–7.75 の Lyα 発光体（LAEs）の rest-frame UV から optical までのスペクトルを調査し、再電離期における ISM 状況と Lyα のエスケープを理解する。
• これら初期銀河のイオン化、金属量、塵特性を推定するために、発光線指標を評価する。
• Lyα ソース周囲のイオン化バブルのサイズを推定し、IGM を介した Lyα の伝搬チャネル形成における役割を評価する。
• JWST/NIRSpec と地上観測 MOSFIRE での Lyα 測定を比較し、フラックスと速度偏位に及ぼす空間的・減衰の影響を評価する。

提案手法

• Hβ、[O III]、[O II] などの発光線を検出し、系統的赤方偏移を測定するために JWST/NIRSpec MR および PRISM スペクトルを使用する。
• 発光線をガウス分布または非対称ガウス分布でフィットし、機器ブロードニングを補正した後、線フラックスを求める。
• 線比診断（O3, O32, RO3, R23, Ne3O2）を計算して、イオン化状態、電子温度、金属量を推定する。
• Te に基づく金属量を [O III] 4363 および RO3 を用いて導出し、Z/Z⊙ および 12+log(O/H) を推定する。
• Hβ および UV 光度から致死離子化光子生産効率（ξion）を推定し、間接的指標を通じて LyC エスケープの示唆を推定する。
• NIRSpec と MOSFIRE の Lyα フラックスと速度偏位を比較し、スリットの損失とLyα 放出の空間的拡張を考慮する。
• LAEs 周囲の潜在的イオン化バブルサイズをモデル化し、個々のソースが >1 physical Mpc の領域をイオン化できるかを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JWST/NIRSpec 発光線によって明らかにされる z~7.5 LAEs の ISM 特性（イオン化、金属量、温度、塵）とは。
• RQ2 これらの銀河で JWST と地上ベースの分光を用いて観測したときの Lyα 発光はどのように振る舞い、フラックスや速度偏位を含めて。
• RQ3 これらのLAEs 周囲のイオン化バブルの推定サイズはどのくらいで、再電離期においてソースは自己駆動のイオン化領域を維持できるのか。
• RQ4 これらのLAEs は z>7 における Lyα エスケープと再電離のパッチiness に対する多様なシナリオを示しているのか。

主な発見

• Two LAEs (z8_13573 and z8_69492) は高い O32 比（6.84 および 19.30）を示し、極端なイオン化条件を示唆する。
• Ionization parameters は log U (relative to c) が −2.15+0.13−0.12 と −1.76+0.22−0.19 で、z≲6 星間の銀河の高い端にあり、z>7 の対象と一致する。
• Te-based 酸素量は 12+log(O/H)=7.50+0.09−0.09 および 7.77+0.01−0.01、対応する Z/Z⊙≈0.07 と 0.12。
• Measured Ne3O2 値は 0.49+0.09−0.08 および 1.03+0.35−0.24、OHNO風図で銀河を高イオン化・低金属領域に位置づける。
• OIII] 4363 の検出により、2つの MR-グレーティング源の低金属量と一致する電子温度が得られる。
• Lyα フラックスは MOSFIRE からの 1.23±0.18 および 3.13±0.65 ×10−17 erg s−1 cm−2、系統赤方偏差からの速度偏位は −165±72 km s−1 および 142±142 km s−1（z8_69492 については −̄, 424+104−290 km s−1）。
• NIRSpec の Lyα フラックスは MOSFIRE の測定値より著しく小さく、拡張した Lyα 放出によるスリット損失を示唆している。
• Lyα 放出は少なくとも1つの銀河で空間的に拡がっているようで、3つの LAEs は再電離時代における Lyα エスケープとイオン化バブルの要件に多様な含意を示している。