[論文レビュー] Deciphering Lyman-$α$ Emission Deep into the Epoch of Reionisation

Callum Witten, Nicolas Laporte+19 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z > 7 の高赤方偏移銀河における頻繁な合体が、星形成のバーストを引き起こし、中性ガスが cleared されたチャネルを形成することで、希薄でない星間・銀河間媒体の中でもライマン-α光子が脱出可能であると提案する。高解像度のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）NIRCam 画像と、宇宙線フィードバックを組み込んだ新しい放射輸送シミュレーションを用いて、z > 7 のすべての観測済みライマン-α発光銀河が近接した伴星を有しており、合体駆動フィードバックがライマン-αの脱出を促進することを示した。これは、再イオン化時代におけるライマン-α検出の長年の謎を解消するものである。

ABSTRACT

During the epoch of reionisation the first galaxies were enshrouded in pristine neutral gas, with one of the brightest emission lines in star-forming galaxies, Lyman-$α$ (Ly$α$), expected to remain undetected until the Universe became ionised. Providing an explanation for the surprising detection of Ly$α$ in these early galaxies is a major challenge for extra-galactic studies. Recent JWST observations have reignited the debate on whether residence in an overdensity of galaxies is a it sufficient and necessary condition for Ly$α$ to escape. Here, we take unique advantage of both high-resolution and high-sensitivity images from the JWST instrument NIRCam to reveal that all galaxies in a sample of z>7 Ly$α$ emitters have close companions. We exploit novel on-the-fly radiative transfer magnetohydrodynamical simulations with cosmic ray feedback to show that galaxies with frequent mergers have very bursty star formation which drives episodes of high intrinsic Ly$α$ emission and facilitates the escape of Ly$α$ photons along channels cleared of neutral gas. We conclude that the rapid build up of stellar mass through mergers presents a compelling solution to the long-standing puzzle of the detection of Ly$α$ emission deep into the epoch of reionisation.

研究の動機と目的

• 再イオン化時代に、中性ガスがその発光を抑制すべきであるにもかかわらず、高赤方偏移銀河でライマン-α発光が検出されるというパラドックスを解明すること。
• z > 7 のライマン-α発光銀河（LAEs）でライマン-αが脱出可能になる主な要因が、銀河の過密領域か合体活動かを調査すること。
• 初期のガス豊富な中性環境から、ライマン-α光子がどのようにして脱出可能になるかの物理的メカニズムを特定すること。
• 観測されたJWSTデータと高度な宇宙論的シミュレーションを結びつけて、合体駆動フィードバックがライマン-α脱出をどのように促進するかを検証すること。

提案手法

• 複数の深宇宙フィールド（GOODS-N、GOODS-S、EGS、COSMOS）から、スペクトロスコピックに確認された9つのz > 7 ライマン-α発光銀河の高解像度・高感度のJWST NIRCam 画像を分析した。
• 高解像度画像を用いて空間的クラスタリングと相互作用の可能性を評価し、9つのすべてのz > 7 ライマン-α発光銀河に対して近接した伴星を同定した。
• 磁気流体力学的モデルに宇宙線フィードバックを組み込み、合体駆動によるガスクリアドチャネルを通るライマン-α光子の伝搬を模擬する、オンザフライ放射輸送シミュレーションを実施した。
• RASCASコードを用いて、共鳴散乱とIGM減衰を考慮した複数の視線方向におけるライマン-αプロファイルをシミュレートした。
• EGSY8p68の観測プロファイルと比較し、シミュレートされたライマン-αプロファイル（ドップラー・シフト、FWHM、非対称性）の妥当性を検証した。
• 星形成率、星の質量、チリ含量を制約するために、観測銀河のSEDフィッティングと光度分析を実施した。

Figure 1: An abundance of galaxy mergers seen with NIRCam. Cutouts of JWST images (as different surveys make use of different filters, the filter within which the companion is most clearly present is shown: F182M for GSDY and z7-GSD-3811, F200W for EGSY8p68, F115W for CEERS-1027, JADES-GS-z7-LA and

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性ガスが星間媒体（ISM）および銀河間媒体（IGM）に強く存在するにもかかわらず、なぜz > 7 の高赤方偏移銀河でライマン-α光子が検出可能なのか？
• RQ2 近接した銀河の伴星の存在は、再イオン化時代におけるライマン-α脱出の必要条件か十分条件か？
• RQ3 合体駆動星形成と宇宙線フィードバックは、どのように中性ガスを通過するライマン-α光子の脱出を促進するのか？
• RQ4 EGSY8p68のような高赤方偏移LAEにおける、シミュレートされたライマン-αプロファイルは観測プロファイルとどの程度一致するか？
• RQ5 合体誘発ガスクリアリングによって、低透過率のチャネルが形成され、共鳴散乱するライマン-α光子がISMを脱出可能になるのか？

主な発見

• サンプル内の9つのすべてのz > 7 ライマン-α発光銀河が近接した伴星を有しており、銀河の過密領域または相互作用と強い関連があることが示された。
• 合体駆動のバースト星形成により、一時的に高い固有ライマン-α輝度が発生し、中性ガスが一時的にクリアされる期間中に脱出確率が上昇する。
• シミュレーションでは、合体からの宇宙線フィードバックがISM内に低密度のチャネルを形成し、特定の視線方向に沿ってライマン-α光子が脱出可能になることが示された。
• z = 7.3 の系についてのシミュレートされたライマン-αプロファイルは、EGSY8p68の観測プロファイルと、ドップラー・シフト（約200 km/s）とFWHM（約200 km/s）で一致しており、明確な非対称形状を示した。
• 観測されたライマン-α発光は、大規模なイオン化バブルではなく、合体誘発フィードバックによって一時的にクリアされた低透過率のチャネルを通った脱出と整合的である。
• 高解像度画像と高度な放射輸送シミュレーションの組み合わせにより、合体が初期宇宙におけるライマン-α脱出の主要メカニズムであるという強力な証拠が得られた。

Figure 2: Comparison of Azahar to an observed galaxy merger. (Left panels) NIRCam F150W (above) and HST F160W (below) imaging of the LAE EGSY8p68. The NIRCam imaging reveals three components to the system that were previously unresolved by HST . (Right panels) Analogue galaxy merger from the Azahar