[論文レビュー] Chasing Lyman alpha-emitting galaxies at z = 8.8

Peter Laursen, Jesper Sommer‐Larsen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 157被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、放射線輸送シミュレーションとホールマス関数統計を組み合わせて、z=8.8におけるリプマンアルファ線発光銀河の検出可能性を予測している。IGMおよびCGMによる散乱のため、検出確率は低く（1つの銀河では10%、複数では1%）、選別を改善するため、+0.85 AB magの緩いNB–BB色カットを提案している。また、検出されたNB源が真のLAEである確率は約35%にとどまる。

ABSTRACT

With a total integration time of 168 hours and a narrowband (NB) filter tuned to Lyman alpha at z = 8.8, the UltraVISTA survey has set out to find some of the most distant galaxies, on the verge of the Epoch of Reionization. Previous calculations of the expected number of detected Lya-emitting galaxies (LAEs) at this redshift did not explicitly take into account the radiative transfer (RT) of Lya. In this work we combine a theoretical model for the halo mass function with numerical results from high-res cosmological hydrosimulations with LyC+Lya RT, assessing the visibility of LAEs residing in these halos. Uncertainties such as cosmic variance and the anisotropic escape of Lya are taken into account, and it is predicted that once the survey has finished, the probabilities of detecting none, one, or more than one are ~90%, ~10%, and ~1%; a significantly smaller success rate compared to earlier predictions, due to the combined effect of a highly neutral IGM scattering Lya to such large distances from the galaxy that they fall outside the observational aperture, and to the actual depth of the survey being less than predicted. Because the IGM affects NB and broadband (BB) magnitudes differently, we argue for a relaxed color selection criterion of NB - BB ~ +0.85. But since the flux is continuum-dominated, even if a galaxy is detectable in the NB its probability of being selected as a NB excess object is

研究の動機と目的

• 放射線輸送効果を考慮した上で、UltraVISTA調査でz=8.8のリプマンアルファ線発光銀河（LAE）が何個検出可能かを予測すること。
• IGMおよびCGM散乱がリプマンアルファ線の可視性と観測アパーチャー効率に与える影響を定量化すること。
• 狭帯域（NB）フィルタと広帯域（BB）フィルタにおける非対称的フラックス抑制を踏まえ、NB–BB色基準の再評価を通じてLAE選別を改善すること。
• 天文学的測定における非対称誤差を組み合わせるための数値的手法を開発・公開すること。
• 赤方偏移z=8.8における主要な銀河特性、すなわち輝度関数、星形成質量–ホールマス関係、および非等方的リプマンアルファ線の脱出に関する予測を提供すること。

提案手法

• 高分解能の宇宙論的流体力学的シミュレーションと、電離UVおよびリプマンアルファ線の後処理放射線輸送を組み合わせる。
• 理論的ホールマス関数を用いて、z=8.8におけるLAEを宿すダークマターホールの予想数密度をモデル化する。
• 放射線輸送シミュレーションを用いて、リプマンアルファ線の脱出率と角度非等方性（ISMおよびIGM内での散乱を含む）を計算する。
• IGMの減衰翼とリプマンアルファ線ブレーク位置の効果をモデル化し、NBとBBのマグニチュードにおける差別的抑制を予測する。
• 非対称誤差（x_{-σ_-}^{+σ_+}）をモンテカルロサンプリングを用いて追加する新しいアルゴリズムを導入・検証し、標準的な二乗和法よりも優れていることを示す。
• フィルタ応答、露出時間、宇宙分散を含む現実的な調査条件の下で、観測されたマグニチュードと色をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な放射線輸送とホール統計を考慮した場合、UltraVISTA調査でz=8.8のリプマンアルファ線発光銀河が何個検出可能か？
• RQ2 IGMおよびCGM散乱はリプマンアルファ線発光の検出可能性にどのように影響し、標準アパーチャーにどれくらいのフラックスが脱出するか？
• RQ3 NBとBBフィルタにおける差別的抑制を踏まえると、z=8.8におけるLAEを特定する最適なNB–BB色選別基準は何か？
• RQ4 狭帯域過剰により特定された銀河が真のLAEである確率は何か？これはフラックスおよびアパーチャーのサイズにどのように依存するか？
• RQ5 観測データにおける非対称誤差は、組み合わせ測定の信頼性にどのように影響するか？より優れた誤差伝搬手法は何か？

主な発見

• IGMおよびCGM散乱のため、UltraVISTA調査でz=8.8のLAEを1つ以上検出できる確率はそれぞれ約10%（1つ）および1%（複数）にとどまる。
• IGM吸収により約25%のリプマンアルファ線フラックスが連続スペクトルレベルに抑制され、CGM散乱により最大で半分の全フラックスが標準アパーチャー外に散逸する可能性がある。
• UltraVISTAにおいて検出確率を最大化するアパーチャーは1.4弧秒であり、それより大きなアパーチャーはフラックス損失を補うことができず、ノイズを増加させる。
• IGMはNBマグニチュードをBBマグニチュードよりもあまり抑制しないため、NB–BB ≤ 0の厳密な色カットは効果が薄い。代わりにNB–BB ≈ +0.85 AB magの緩い基準を推奨する。
• NBで検出された銀河が過剰性による選別で真のLAEとして正しく特定される確率は、汚染およびフラックス抑制のため、35%未満にとどまる。
• Planck宇宙論をWMAP7に代えると、予想される検出数は約0.12から約0.61に増加し、IGMの青い翼を除くと検出数は約1にまで上昇する。これはIGM効果が抑制を支配していることを示している。