[論文レビュー] Chronicling the reionization history at $6\lesssim z \lesssim 7$ with emergent quasar damping wings

Dominika Ďurovčíková, Anna–Christina Eilers+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2024

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

著者らはLyα周辺を連続体再構成することで6.0<z<7.1の18個の高赤方偏移クエイサを分析し、スペクトルを3つの赤shiftビンでスタックしてATONとCROCのシミュレーションと比較し、平均中性水素分率と平均クエイサ寿命を共同推定する。減衰翼が出現することを示し、t_Q ≲ 7 Myr。

ABSTRACT

The spectra of high-redshift ($z\gtrsim 6$) quasars contain valuable information on the progression of the Epoch of Reionization (EoR). At redshifts $z&lt;6$, the observed Lyman-series forest shows that the intergalactic medium (IGM) is nearly ionized, while at $z&gt;7$ the observed quasar damping wings indicate high neutral gas fractions. However, there remains a gap in neutral gas fraction constraints at $6\lesssim z \lesssim 7$ where the Lyman series forest becomes saturated but damping wings have yet to fully emerge. In this work, we use a sample of 18 quasar spectra at redshifts $6.0

研究の動機と目的

• 6 ≲ z ≲ 7の遅期再電離期における中性水素分率の制約を動機づける。
• intrinsic Lyα連続体を抽出し、クエイサスペクトルを正規化するための頑健な方法を開発する。
• 宇宙体積差の揺らぎを緩和し、減衰翼分析を可能にするために、スタックされたクエイサスペクトルを用いる。
• ⟨x_HI⟩と平均クエイサ寿命t_Qを、シミュレーションと比較することで共同に制約する。
• ATONとCROCの二つの独立した放射伝送シミュレーションを用いて系統的不確実性を評価する。

提案手法

• QSANNdRAニューラルネットワークを用いて低-redshiftのクエイサで訓練されたintrinsic Lyα連続体を再構成する。
• 18個の高-zクエイサスペクトルを正規化し、3つの赤shiftビン6.0≤z<6.3、6.3≤z<6.7、6.7≤z≤7.1でスタックする。
• 放射伝送を伴うATONおよびCROCシミュレーションへクエイサを埋め込み、観測可能量を前方モデル化する。
• 視線を描き、連続体/測定ノイズと赤shift不確実性を含む合成透過スペクトルを生成する。
• ⟨x_HI⟩とlog10(t_Q)を、⟨x_HI⟩とt_Qのグリッドにわたるシミュレーションモデルとスタックスペクトルを比較して推定する。
• 結果をクロスチェックするために二つの独立シミュレーションを用い、系統的不確実性を見積もる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6.0≲z≲7.1の赤方偏移範囲におけるボリューム平均中性水素分率⟨x_HI⟩の進化はどうなるか？
• RQ2 クエイサの多視線スタックは宇宙のバラつきを克服して⟨x_HI⟩をEoRの終わり近くで制約できるか？
• RQ3 この赤方偏移範囲での近接効果サインから示唆される典型的なクエイサ寿命t_Qはどれくらいか？
• RQ4 ATONとCROCの二つの異なる再電離シミュレーションは、観測スタックに対する減衰翼強度を予測する点でどう比較されるか？
• RQ5 減衰Lyα特徴から⟨x_HI⟩とt_Qを推定する際の主な不確実性は何か？

主な発見

• ⟨x_HI⟩の制約はATONとCROCモデルを用いて三つの赤shiftビンで得られた。
• ⟨z⟩=6.10でATONは⟨x_HI⟩=0.21_{-0.07}^{+0.17}、CROCは⟨x_HI⟩=0.10^{+0.73}_{-<10^{-4}}。
• ⟨z⟩=6.46でATONは⟨x_HI⟩=0.21_{-0.07}^{+0.33}、CROCは⟨x_HI⟩=0.57_{-0.47}^{+0.26}。
• ⟨z⟩=6.87でATONは⟨x_HI⟩=0.37_{-0.17}^{+0.17}、CROCは⟨x_HI⟩=0.57_{-0.21}^{+0.26}。
• 全赤shiftビンを通じて、平均クエイサ寿命はt_Q≲7 Myrに制約される。
• 結果はEoRの終わりに向けて減衰翼の出現を示し、クエイサの減衰翼とスタックスペクトルを用いた sightline平均⟨x_HI⟩およびt_Q制約への道を示している。