[論文レビュー] Dark-ages reionization and galaxy formation simulation -- XXI. Constraining the evolution of the ionizing escape fraction

Simon J. Mutch, Bradley Greig+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ベイズフレームワークを用いて、高赤方偏移銀河における赤方偏移およびハロー質量に依存する電離光子の脱出率を同時に制約するため、Meraxesの半解析的銀河形成モデルを用いた。低質量ハロー（$M_\text{halo} \lesssim 10^9\,M_\odot$）では脱出率が $18\pm5\%$ に高く、より質量の大きなハロー（$M_\text{halo} \gtrsim 10^9\,M_\odot$）では脱出率が $5\pm2\%$ に低く、星形成質量 $M_\star \sim 10^7\,M_\odot$ で遷移するが、これは赤方偏移にほとんど依存しない。

ABSTRACT

The fraction of ionizing photons that escape their host galaxies to ionize hydrogen in the inter-galactic medium (IGM) is a critical parameter in analyses of the reionization era. In this paper we use the Meraxes semi-analytic galaxy formation model to infer the mean ionizing photon escape fraction and its dependence on galaxy properties through joint modelling of the observed high redshift galaxy population and existing constraints on the reionization history. Using a Bayesian framework, and under the assumption that escape fraction is primarily related to halo mass, we find that the joint constraints of the UV luminosity function, CMB optical depth, and the Ly$α$ forest require an escape fraction of $(18\pm5)\%$ for galaxies within haloes of $M\lesssim10^{9}$M$_\odot$ and $(5\pm2)\%$ for more massive haloes. In terms of galaxy properties, this transition in escape fraction occurs at stellar masses of $M_\star\sim10^7$M$_\odot$, nearly independent of redshift. As a function of redshift, reionization is dominated by the smaller $M_\star\lesssim10^7$M$_\odot$ galaxies with high escape fractions at $z\gtrsim6$ and by the larger $M_\star\gtrsim10^7$M$_\odot$ galaxies with lower escape fractions at $z\lesssim6$. Galaxies with star formation rates of $10^{-2.5}$M$_\odot$yr$^{-1}$ to $10^{-1.5}$M$_\odot$yr$^{-1}$ provide the dominant source of ionizing photons throughout reionization. Our results are consistent with recent direct measurements of a $\sim5\%$ escape fraction from massive galaxies at the end of reionization and support the picture of low mass galaxies being the dominant sources of ionizing photons during reionization.

研究の動機と目的

• 再電離時代における銀河からの電離光子脱出率の進化を制約すること。
• 脱出率がハロー質量、星形成質量、星形成率などの銀河特性にどのように依存するかを特定すること。
• 半解析的モデルを用いて観測された高赤方偏移銀河集団と再電離歴史の制約を整合させること。
• 物理的仮定の下で最も確からしい脱出率値とその不確実性を推定するため、ベイズフレームワークを用いること。

提案手法

• Meraxes半解析的銀河形成モデルを用いて、赤方偏移 $z \sim 4-8$ の範囲で銀河集団をシミュレートし、星形成、フィードバック、ハロー成長を含む。
• モデルは銀河進化を半数値的再電離計算と結合し、時間経過に伴う銀河間媒体（IGM）のイオン化状態を追跡する。
• 脱出率にハロー質量依存性を仮定し、自由パラメータをベイズフレームワークにおけるネストドサンプリングにより制約する。
• 観測的制約3つ（高赤方偏移UV光度関数、PlanckによるCMB光学厚さ、Lyα森透過率）に合わせてモデルをキャリブレーションする。
• シミュレーションではTiamat N体ダークマターハロー・カタログを使用し、解像度は限定的だが、星形成質量予算への影響は小さい（$z \lesssim 12$ で35%未満の損失）。
• 統計的推論には、脱出率パラメータの事後分布を全範囲で探索するためのultranestサンプラーを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移銀河からの平均電離光子脱出率は何か？ また、ハロー質量に応じてどのように変化するか？
• RQ2 脱出率が高からく低に遷移する星形成質量は何か？ そして、この遷移は赤方偏移に依存するか？
• RQ3 再電離期に電離光子予算を支配する銀河集団は、質量か星形成率のどちらの観点から見ればよいか？
• RQ4 UV光度関数、CMB光学厚さ、Lyα森の共同制約が、観測された再電離歴史をどれほどよく再現するか？
• RQ5 推定された脱出率は、最近の $z \sim 6$ での巨大銀河における直接測定結果（約5%）と整合するか？

主な発見

• ハロー質量 $M_\text{halo} \lesssim 10^9\,M_\odot$ の銀河では、脱出率が $18\pm5\%$ に制約され、低質量系では電離放射の効率的な脱出が示唆される。
• より質量の大きなハロー（$M_\text{halo} \gtrsim 10^9\,M_\odot$）では、脱出率が $5\pm2\%$ に低く、低質量系に比べ顕著に低い。
• 高脱出率から低脱出率への遷移は星形成質量 $M_\star \sim 10^7\,M_\odot$ で発生し、この遷移点は赤方偏移にほとんど依存しない。
• 再電離は $z \gtrsim 6$ において、$M_\star \lesssim 10^7\,M_\odot$ の低質量銀河が高脱出率を示すことで支配され、$z \lesssim 6$ ではより質量の大きな銀河が支配的になる。
• 星形成率が $10^{-2.5}$ から $10^{-1.5}\,M_\odot\,\text{yr}^{-1}$ の銀河が、再電離全期間を通じて電離光子の主な供給源を占める。
• 結果は、再電離の終焉に近い $z \sim 6$ での巨大銀河における最近の直接測定（約5%の脱出率）と整合しており、低質量銀河が主なイオン化源である役割を支持する。