[論文レビュー] Confirmation of double peaked Lyman-alpha emission at z=6.593: Witnessing a galaxy directly contributing to the reionisation of the Universe

Jorryt Matthee, David Sobral+4 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 124被引用数 34

ひとこと要約

本研究では、深いつきのVLT/X-SHOOTER分光法と多波長のphotometryを用いて、z=6.593における最初に観測された二重ピーク型Lyman-alpha発光体COLA1の確認に成功した。狭帯域で非対称な線幅プロファイルで、青対赤の輝度比が0.31であり、H iの柱密度が低く（N_Hi ≈ 10^17.0 cm⁻²）、電離光子の漏れが顕著（15–30%）であることが示され、このような高赤方偏移銀河が宇宙再電離に実際に寄与していたことを直接的証拠として示している。

ABSTRACT

Distant luminous Lyman-alpha emitters (LAEs) are excellent targets for spectroscopic observations of galaxies in the epoch of reionisation (EoR). We present deep high-resolution (R=5000) VLT/X-SHOOTER observations, along with an extensive collection of photometric data of `COLA1', a proposed double peaked LAE at z=6.6 (Hu et al. 2016). We rule out that COLA1's emission line is an [OII] doublet at z=1.475 on the basis of i) the asymmetric red line-profile and flux ratio of the peaks (blue/red=$0.31\pm0.03$) and ii) an unphysical [OII]/Ha ratio ([OII]/Ha > 22). We show that COLA1's observed B-band flux is explained by a faint extended foreground LAE, for which we detect Lya and [OIII] at z=2.142. We thus conclude that COLA1 is a real double-peaked LAE at z=6.593, the first discovered at z>6, confirming the result from Hu et al. (2016). COLA1 is UV luminous (M$_{1500}=-21.6\pm0.3$), has a high equivalent width (EW$_{0}$~120 Å) and very compact Lya emission (r$_{50} = 0.3$ kpc). Relatively weak inferred Hb+[OIII] line-emission from Spitzer/IRAC indicates an extremely low metallicity of Z<1/20 Z$_{\odot}$ or reduced strength of nebular lines due to high escape of ionising photons. The small Lya peak separation of $220\pm20$ km/s implies a low HI column density and an ionising photon escape fraction of ~15-30 %, providing the first direct evidence that such galaxies contribute actively to the reionisation of the Universe at z>6. Based on simple estimates, we find that COLA1 could have provided just enough photons to reionise its own ~0.3 pMpc bubble, allowing the blue Lya line to be observed. However, we also discuss alternative scenarios explaining the detected double peaked nature of COLA1. Our results show that future high-resolution observations of statistical samples of double peaked LAEs at z>5 are a promising probe of the occurrence of ionised regions around galaxies in the EoR.

研究の動機と目的

• z≈6.6における候補となる二重ピーク型Lyman-alpha発光体COLA1の性質を、真の高赤方偏移発光線銀河として確認すること。
• z=1.475における[O ii]発光という代替説明を、輝度比および線比診断法によって除外すること。
• Lyαの等価幅、コンパクト性、電離光子漏れ率を含む、COLA1の固有的性質を特定すること。
• COLA1がイオン化した周囲領域のサイズを推定することで、宇宙間媒体の再電離に果たす貢献度を評価すること。
• 高赤方偏移LAEsにおける二重ピーク型Lyαプロファイルが、再電離期のイオン化領域および銀河フィードバックを調べる手段としての意義を確立すること。

提案手法

• VLT/X-SHOOTERを用いた深いつきで高分解能（R=5000）分光法を実施し、COLA1の高信噪比スペクトルを取得した。
• z=1.475における[O ii]二重線発光とは一致しない、非対称なLyα線幅および青対赤輝度比（0.31±0.03）を分析した。
• COSMOSおよびUltraVISTAのphotometricデータを用いて、Lyαおよび[O iii]発光によるBバンド輝度に寄与する前方のLAE（z=2.142）を同定した。
• H iの柱密度および電離光子漏れ率を推定するために、5パラメータのシェルモデルをLyαプロファイルに適合させた。
• UVの等価マグニチュード（M₁₅₀₀ = -21.6±0.3）とSpitzer/IRACの色を組み合わせることで、低金属量（Z<1/20 Z⊙）および光子漏れによる線形成発光の低減を推定した。
• 光子予算および再結合時間スケールの単純仮定に基づき、COLA1周囲のイオン化バブルのサイズを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=6.593におけるCOLA1の二重ピーク型Lyα発光は、真の高赤方偏移Lyman-alpha発光線であるのか、それともz=1.475における[O ii]二重線発光のようなアーティファクトであるのか？
• RQ2 COLA1における固有のLyα線幅および物理的状態（例：H iの柱密度、電離光子漏れ率）は何か？
• RQ3 COLA1が周囲の領域を十分にイオン化し、Lyαの青ピークが脱出できるだけのサイズのイオン化バブルを形成できたのか？そのバブルサイズはどの程度か？
• RQ4 COLA1のコンパクト性および高い等価幅が、再電離プロセスにおける役割とどのように関係しているか？
• RQ5 高赤方偏移LAEsにおける二重ピーク型Lyαプロファイルが、再電離期のイオン化領域および銀河フィードバックを調べる手段として果たす意義は何か？

主な発見

• COLA1は、z=6.593における真の二重ピーク型Lyman-alpha発光体として確認された。赤方偏移はz_Lyα,red = 6.593であり、輝度比および線比診断法により、z=1.475における[O ii]発光は除外された。
• Lyα線の全放射輝度はL_Lyα = 4.1±0.2×10⁴³ erg s⁻¹、静止系等価幅はEW₀,Lyα = 120⁺⁵⁰₋₄₀ Åであり、強発光を示している。
• Lyα発光は極めてコンパクトで、半光半径はr₅₀,Lyα = 0.33⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁴ kpcであり、コンパクトな星形成領域と整合的である。
• ピーク間隔は220±20 km s⁻¹、青ピークの輝度は赤ピークの31%にとどまり、非対称な散乱および低H i柱密度（N_Hi = 10¹⁷.⁰±⁰.³ cm⁻²）を示している。
• 推定される電離光子漏れ率は約15–30%であり、LyC漏れおよび線幅プロファイルモデルとの相関から、上限は約50%まである。
• COLA1が周囲の約0.3 pMpc（2.3 cMpc）の領域をイオン化できた可能性があるが、これは観測された青Lyαピークの検出可能性と整合的であり、外部からの寄与がイオン化バブルの維持に必要となる可能性がある。