[論文レビュー] Delayed Enrichment by Unseen Galaxies: Explaining the Rapid Rise in IGM CIV Absorption from z = 6-5

Roban Hultman Kramer, Zoltán Haiman+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 39被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、銀河からの流れによって炭素が約100 kpcにわたって運ばれることで生じる、電離光子生成とIGM内でのC IV吸収の検出との間で0.4–0.7 Gyrの遅れが生じることを提案している。この遅れにより、z=6からz=5にかけてC IV吸収体密度が急激に増加する現象が説明され、再電離に必要な電離光子が不足していることと、星形成速度よりも速くC IVが増加するという二つの謎が解消される。この遅れは、電離効率や金属産出率の変更を必要とせず、標準的なモデルと観測結果を調和させる。

ABSTRACT

In the near future, measurements of metal absorption features in the intergalactic medium (IGM) will become an important constraint on models of the formation and evolution of the earliest galaxies, the properties of the first stars, and the reionization and enrichment of the IGM. The first measurement of a metal abundance in the IGM at a redshift approaching the epoch of reionization already offers intriguing hints. Between z=5.8 and 4.7 (a 0.3 Gyr interval only 1 Gyr after the big bang), the measured density of CIV absorbers in the IGM increased by a factor of ~ 3.5 (Ryan-Weber et al. 2009; Becker, Rauch & Sargent 2009). If these values prove to be accurate, they pose two puzzles: (1) The total amount of CIV at z=5.8 implies too little star formation to reionize the IGM by z=6 or to match the WMAP electron scattering optical depth (tau). (2) The rapid growth from z = 6-5 is faster than the buildup of stellar mass or the increase in the star formation rate density over the same interval. We show that a delay of ~ 0.4-0.7 Gyr between the instantaneous production of ionizing photons and the later production of metal absorption features (added to the delay due to stellar lifetimes) can provide the full explanation for both puzzles. We calculate the delay in metal production due to finite stellar lifetimes alone and find that it is too short to explain the rapid CIV density increase. The additional delay could naturally be explained as the result of ~ 200 km/s outflows carrying carbon to distances of ~ 100 kpc, the typical distance between galaxies and CIV absorbers in enrichment simulations, and the typical outflow or absorption region scale observed at z ~ 2-3.

研究の動機と目的

• z≈6–5における観測されたC IV吸収体の増加と予想される星形成速度の間の不一致を解消すること。
• z=5.8におけるC IVの総量が、z=6までにIGMを再電離するのに十分な電離光子を生成していないことを示しているが、これはWMAPの光学厚さと矛盾する。
• 同じ赤方偏移範囲内で、星形成率密度や星質量密度の増加よりもC IV吸収体密度が速やかに増加する理由を説明すること。
• 初期宇宙において電離光子生成と比較して金属化が遅れる物理的メカニズムを特定すること。
• 流れと有限な輸送時間スケールを用いて、IGM内金属濃度の急速な進化を検証可能な説明を提供すること。

提案手法

• 銀河の明るさ関数の歴史を用いて、時間経過に伴う電離光子および金属生成を追跡する再電離と金属化のモデル化。
• 有限な星の寿命に起因する遅れを計算し、観測されたC IV増加 timescale と比較する。
• 約200 km/sの銀河からの流れを物理的遅れ機構として導入し、炭素を約100 kpcの距離まで輸送可能であり、観測されたIGM吸収体のスケールと一致することを示す。
• 宇宙論的シミュレーションとEnrichPyパッケージを用いて、IGM内での金属輸送およびイオン化状態の進化をモデル化する。
• 二段階モデルを適用：即時の電離光子生成に続いて、流れによる遅れのある金属化が続く。
• 観測されたC IV吸収体密度の進化およびWMAPの光学厚さから得られる再電離制約と照らし合わせて、モデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=5.8からz=4.7にかけてIGM内C IV吸収体密度が約3.5倍に増加しているが、これは星質量や星形成率密度の増加よりも速い。その理由は何か？
• RQ2 z=5.8におけるC IVの総量が、z=6までにIGMを再電離するのに十分な電離光子を生成していないことを示しており、これはWMAPの光学厚さと矛盾する。
• RQ3 電離光子生成と比較して、C IVのような金属吸収特徴が現れるのを遅らせる物理的メカニズムは何か？
• RQ4 約200 km/sの流れが、IGM内に十分に遠くまで炭素を運べるか？ それが観測されたC IV増加の時間スケールを説明できるか？
• RQ5 C II、Si II、Si IIIなどの複数のイオン化状態の観測は、イオン化駆動型の進化と流れによる埋め込み率駆動型の進化を区別できるか？

主な発見

• z=6からz=5にかけてC IV吸収体密度が急激に増加するのを説明するためには、電離光子生成と検出可能なC IV吸収との間に0.4–0.7 Gyrの遅れが必要である。
• 星の寿命が有限であることに起因する遅れだけでは、観測されたC IV進化を説明するには不十分であり、初期質量関数が急峻であっても同様である。
• 約200 km/sの銀河からの流れは、必要な時間スケール内で炭素を80–140 kpcの距離まで運ぶことができ、銀河とC IV吸収体の典型的な間隔と一致する。
• この流れに起因する遅れは、電離効率や金属産出率の変更を要せず、再電離とC IV密度の両方の謎を自然に説明する。
• C II、Si II、Si III、Si IVの吸収体の観測は、イオン化駆動型の進化と流れによる埋め込み率駆動型の進化を区別できる。
• 将来的な複数のイオン化状態における金属濃度の測定により、IGM内金属濃度が宇宙の星形成歴に従っているか、それとも輸送やイオン化効果によってずれているかを明らかにできる。