[論文レビュー] Characterizing Extreme Emission Line Galaxies II: A Self-Consistent Model of Their Ionizing Spectrum

Grace M. Olivier, Danielle A. Berg+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2021

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、2つの近接した極端な発光線銀河（EELG）J104457およびJ141851について、観測されたUV星族のフィットと追加のブラックボディ成分を組み合わせることで、自己整合的なイオン化スペクトルモデルを構築した。80,000 Kのブラックボディが若星族の全光度の60–70%を占めることで、低〜非常に高イオン化度の種類にわたる発光線をうまく再現した。これは、極端なヘリウムIIおよび酸素IV発光線を説明するために不可欠な、説明されていなかった高エネルギーイオン化光子の源を明らかにした。

ABSTRACT

Observations of high-redshift galaxies ($z >$ 5) have shown that these galaxies have extreme emission lines with equivalent widths much larger than their local star-forming counterparts. Extreme emission line galaxies (EELGs) in the nearby universe are likely analogues to galaxies during the Epoch of Reionization and provide nearby laboratories to understand the physical processes important to the early universe. We use HST/COS and LBT/MODS spectra to study two nearby EELGs, J104457 and J141851. The FUV spectra indicate that these two galaxies contain stellar populations with ages $< \sim$ 10 Myr and metallicities $\leq$ 0.15 Z$_\odot$. We use photoionization modeling to compare emission lines from models of single-age bursts of star-formation to observed emission lines and find that the single-age bursts do not reproduce high-ionization lines including [O III] or very-high ionization lines like He II or [O IV]. Photoionization modeling using the stellar populations fit from the UV continuum similarly are not capable of reproducing the emission lines from the very-high ionization zone. We add a blackbody to the stellar populations fit from the UV continuum to model the necessary high-energy photons to reproduce the very-high ionization lines of He II and [O IV]. We find that we need a blackbody of 80,000 K and $\sim$60-70% of the luminosity from the young stellar population to reproduce the very-high ionization lines while simultaneously reproducing the low- intermediate-, and high-ionization emission lines. Our self-consistent model of the ionizing spectra of two nearby EELGs indicates the presence of a previously unaccounted-for source of hard ionizing photons in reionization analogues.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移銀河の再電離時代における類縁体として機能する近接EELGにおける極端な発光線の起源を理解すること。
• 標準的な星族モデルによる予測と比較して、観測された非常に高イオン化度の発光線（例：He II, O IV）との乖離を解消すること。
• 低・中間・高・非常に高イオン化度の全種類の発光線を同時に再現できる物理的に自己整合的なイオン化スペクトルモデルを構築すること。
• 観測された極端な発光線を生じさせるために必要な、説明されていない高エネルギーイオン化光子の物理的起源を特定すること。

提案手法

• 若星族モデル（BPASSの単一年齢星族モデル）を用いて、2つのEELG（J104457およびJ141851）のUV連続スペクトルをフィットし、星の年齢（約10 Myr）と金属量（≤0.15 Z⊙）を導出。
• CLOUDY（C17.01）を用いた光電離モデルを用いて、観測された星族が全ネビュラ発光線を再現できるかを検証。
• 若星族モデルに、光度の60–70%を占める80,000 Kのブラックボディ成分を追加し、過剰な高エネルギー光子を補正。
• 低〜非常に高イオン化度の種類（[O II], [O III], He II, [Ne III], O IVなど）の観測発光線に一致するように、ブラックボディのパラメータを制約。
• 星族＋ブラックボディの組み合わせモデルが、全イオン化度領域における観測された線比率と整合しているかを評価。
• ブラックボディ成分の物理的解釈として、衝撃波、WR星、非常に質量の大きな星、ULXを検討したが、いずれの源とも明確に一致しなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ標準的な単一年齢星族モデルでは、EELGにおける観測された非常に高イオン化度の発光線（例：He II, O IV）を再現できないのか？
• RQ2 近接EELG（J104457およびJ141851）における極端な発光線特性を説明するために、どの追加的な高エネルギーイオン化光子源が必要とされるのか？
• RQ3 低・中間・高・非常に高イオン化度の種類の発光線を同時に再現できる自己整合的イオン化スペクトルモデルを構築できるか？
• RQ4 観測された80,000 Kのブラックボディ的イオン化スペクトルと、若星族の60–70%の光度寄与を示す物理的メカニズムは何か？
• RQ5 本研究の結果は、再電離時代の高赤方偏移銀河におけるイオン化源の性質をどのように制限するか？

主な発見

• J104457およびJ141851の観測星族（年齢≤10 Myr、金属量≤0.15 Z⊙）は、低・中間イオン化度の発光線を再現できるが、非常に高イオン化度の線を生成するのに十分な高エネルギー光子を供給できない。
• 単一年齢星族モデルだけでは、He IIおよびO IVの観測等価幅を再現できず、硬いイオン化放射の欠落が示唆される。
• 80,000 Kのブラックボディ成分と若星族の全光度の60–70%の寄与を加えることで、[O II]からO IVまで、観測された全発光線が再現可能となった。
• ブラックボディ成分の追加により、これらのEELGにおける高エネルギーイオン化光子問題（HEIP 3）が、全イオン化度領域の発光線を同時に一致させることで解決された。
• WR星、衝撃波、ULXといったいずれの物理的源とも、観測されたブラックボディ的イオン化スペクトルを明確に説明できないため、さらなる多波長観測が必要である。
• 空間分解されたUVおよびX線データに加え、O VI診断が、高エネルギーイオン化放射の物理的起源を区別するために不可欠である。