[論文レビュー] Cosmic Reionization after Planck: The Derived Growth of the Ionizing Background now matches the Growth of the Galaxy UV Luminosity Density

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 14被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、プランクの光学的厚さ測定値およびクェーサーと高赤方偏移銀河からの観測的制約を用いて、z ≈ 6 以上の宇宙の電離背景の時間的変化を経験的に再構築した。その結果、電離背景の赤方偏移依存性が銀河のUV光度密度の変化と非常に良く一致しており、銀河が宇宙再電離を主導していることを強く支持する一方、クェーサーやAGNは主要因として排除される。

ABSTRACT

Thomson optical depth measurements from Planck provide new insights into the reionization of the universe. To obtain new model-independent constraints on the properties of the ionizing sources, we determine the empirical evolution of the ionising background. We use a simple two-parameter model to map out the evolution in this background at z>~6 from the new Planck optical depth tau measurements and from the constraints provided by quasar absorption spectra and the prevalence of Ly-alpha emission in z~7-8 galaxies. We find the redshift evolution in the ionising background N_{ion} required by the observations to be dlog_{10} N_{ion}/dz(z=8)=-0.19_{-0.11}^{+0.09}, largely independent of the assumed clumping factor C_{HII} and entirely independent of the identity of the ionizing sources. The trend in N_{ion} is well-matched by the evolution of the galaxy UV-luminosity density (dlog_{10} rho_{UV}/dz=-0.11+/-0.04) to a magnitude limit >~-13 mag, suggesting that galaxies are the sources that drive the reionization of the universe. The role of galaxies is further strengthened by the conversion from the UV luminosity density to N_{ion}(z) being possible for physically plausible values of the escape fraction f_{esc}, the Lyman-continuum photon production efficiency xi_{ion}, and faint-end cut-off M_{lim} to the LF. Lastly, we use the inferred evolution in the ionizing background to estimate the z~10 UV luminosity density, finding this luminosity density to be 12_{-7}^{+21}x lower than at z~6, consistent with current measurements at z~10. Quasars/AGN appear to match neither the redshift evolution nor normalization of the ionizing background. This new approach of contrasting the inferred evolution of the ionising background with that of the galaxy UV luminosity density adds to the growing observational evidence that galaxies are the sources that drive the reionization of the universe.

研究の動機と目的

• z > 6 における宇宙電離背景の時間的変化を、プランクの光学的厚さ測定値を用いてモデルに依存しない制約を求める。
• 観測された電離背景の時間的変化が銀河のUV光度密度の時間的変化と一致するかどうかを検証する。
• 銀河とクェーサー/AGNが再電離の主因である可能性を、それぞれの光度および電離出力の時間的変化を比較することで評価する。
• 推定された電離背景の時間的変化に基づいて、z ≈ 10 におけるUV光度密度を推定する。
• 推定された電離背景が、脱出率 f_esc、電離光子生成効率 ξ_ion、および光度関数の微小端のマグニチュードカットオフ M_lim などの物理的パラメータと整合しているかどうかを評価する。

提案手法

• プランクが測定したトムソン散乱光学的厚さ (τ) を用いて、全電離光学的厚さを制約し、高赤方偏移における平均的な電離背景の時間的変化を推定する。
• クェーサー吸収スペクトルからの観測的制約および z ≈ 7–8 の銀河におけるLyα発光の存在割合を用いて、高赤方偏移における電離背景の時間的変化を固定する。
• 赤方偏移 z > 6 における電離背景 N_ion(z) の時間的変化を記述する2パラメータモデルを用い、源の性質や凝集因子に依存しない。
• 推定された N_ion(z) の時間的変化を、観測された銀河UV光度密度 ρ_UV(z) の時間的変化と比較することで、銀河が主な電離源であるという仮説の整合性を検証する。
• 物理的に妥当な f_esc、ξ_ion、および M_lim の値を用いて、UV光度密度を電離背景に変換する。
• 推定された電離背景の時間的変化に基づいて、z ≈ 10 におけるUV光度密度を予測し、現在の観測的制約と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z > 6 における観測された電離背景の赤方偏移依存性は、銀河のUV光度密度の時間的変化と一致するか？
• RQ2 f_esc、ξ_ion、M_lim の妥当な値を前提とした場合、推定された電離背景の時間的変化は、銀河が主な電離源として一貫して説明可能か？
• RQ3 クェーサーまたはAGNは、観測された電離背景の正規化と赤方偏移依存性の両方を説明できるか？
• RQ4 推定された電離背景の時間的変化に基づいて、z ≈ 10 における予測UV光度密度は何か？
• RQ5 導出された電離背景の時間的変化は、凝集因子 C_HII や電離源の性質に関する仮定からどれほど独立しているか？

主な発見

• 電離背景の赤方偏移依存性は、dlog₁₀N_ion/dz(z=8) = -0.19⁺⁰·⁰⁹₋₀·¹¹ に制約され、凝集因子や源の性質にほとんど依存しない。
• この時間的変化は、観測された銀河UV光度密度の時間的変化（M > -13 mag の下限まで）と非常に良く一致しており、dlog₁₀ρ_UV/dz = -0.11 ± 0.04 である。
• 電離背景の時間的変化とUV光度密度の時間的変化の整合性は、銀河が宇宙再電離を主導していることを強く支持する。
• f_esc、ξ_ion、M_lim の標準的な値を用いたUV光度密度から電離背景への変換は物理的に妥当であり、銀河主導の再電離シナリオを強化する。
• 推定された z ≈ 10 におけるUV光度密度は、z ≈ 6 における値よりも 12⁻⁷⁺²¹ 倍低いと推定され、現在の観測的制約と整合している。
• クェーサーやAGNは、電離出力の時間的変化と正規化の両方が観測された電離背景と一致しないため、主因として排除される。