[論文レビュー] Discovery of excess O I absorption towards the z = 6.42 QSO SDSS J1148+5251

George D. Becker, W. L. W. Sargent+2 more|ArXiv.org|Nov 17, 2005

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 50被引用数 53

ひとこと要約

本研究では、クェーサー SDSS J1148+5251 に向けて検出された高分解能 Keck/HIRES スペクトロスコピーを用いて、z ≈ 6.42 付近で中性酸素（O I）の過剰吸収が発見された。過剰な O I 系統—全6系統中4系統—は、Lyα および Lyβ 透過領域に位置しており、これらは高度にイオン化された銀河間媒体（IGM）に存在し、金属を豊富に含み、低イオン化度のタイプII超新星支配の吸収体である可能性が高い。O/Si の元素比は、金属非存在の非常に巨大星の寄与を 30% 未満に制限する。

ABSTRACT

We present a search for O I in the spectra of nine 4.9 < z_qso < 6.4 QSOs taken with Keck/HIRES. We detect six systems with N(O I) > 10^13.7 cm^{-2} in the redshift intervals where O I 1302 falls redward of the Ly-alpha forest. Four of these lie towards SDSS J1148+5251 (z_qso = 6.42). This imbalance is unlikely to arise from variations in sensitivity among our data or from a statistical fluctuation. The excess O I occurs over a redshift interval that also contains transmission in Ly-alpha and Ly-beta. Therefore, if these O I systems represent pockets of neutral gas, then they must occur within or near regions of the IGM that are highly ionized. In contrast, no O I is detected towards SDSS J1030+0524 (z_qso = 6.30), whose spectrum shows complete absorption in Ly-alpha and Ly-beta over Δz ~ 0.2. Assuming no ionization corrections, we measure mean abundance ratios = -0.04 +/- 0.06, = -0.31 +/- 0.09, and = -0.34 +/- 0.07 (2 sigma), which are consistent with enrichment dominated by Type II supernovae. The O/Si ratio limits the fraction of silicon in these systems contributed by metal-free very massive stars to < 30%, a result which is insensitive to ionization corrections. The ionic comoving mass densities along the z_qso > 6.2 sightlines, including only the detected systems, are Ω(O I) = (7.0 +/- 0.6) * 10^{-8}, Ω(Si II) = (9.6 +/- 0.9) * 10^{-9}, and Ω(C II) = (1.5 +/- 0.2) * 10^{-8}.

研究の動機と目的

• z ≈ 6 の高赤方偏移銀河間媒体（IGM）における中性酸素（O I）吸収の存在を、高分解能クェーサースペクトルを用いて調査すること。
• 過剰な O I 吸収が、高度にイオン化された IGM 内の中性ガスの存在を示し、再イオン化の不均一性または局所的中性領域を示すかどうかを特定すること。
• 相対的元素比 [O/Si]、[C/O]、[C/Si] を用いて、吸収体の金属性および核合成起源を制約すること。
• イオン化補正の影響を考慮しながら、O/Si 比の分析を通じて、金属非存在の非常に巨大星（VMS）による初期星形成の役割を評価すること。
• 高赤方偏移の視線に沿った O I、Si II、C II のイオン的共動質量密度を測定し、宇宙の金属予算への寄与を評価すること。

提案手法

• 赤方偏移 4.9 ≤ z_QSO ≤ 6.4 の9個のクェーサーの高分解能スペクトルを Keck/HIRES スペクトログラフで取得した。
• O I λ1302 遷移が Lyα フォレストの赤方偏移側に位置する赤方偏移範囲に焦点を当て、Lyα 吸収特徴による汚染を回避した。
• VPFIT ソフトウェアを用いて、O I、Si II、C II およびその他の低イオン化種の吸収線の柱密度をモデル化・測定した。
• 電荷交換平衡仮定（n_HI ≈ n_OI）を適用し、中性水素分率を推定し、イオン化補正を評価した。
• 確認済みのシステムに限定して積分することで、検出された吸収線から平均的なイオン的共動質量密度（Ω_OI、Ω_SiII、Ω_CII）を計算した。
• 理論的生成量と比較して、[O/Si]、[C/O]、[C/Si] の元素比を用い、核合成起源を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統計的フラクチュエーションや感度の変動によって説明できない、z ≈ 6.4 の高赤方偏移 IGM における中性酸素（O I）吸収系の過剰が観測されるか？
• RQ2 検出された O I 吸収体は、Lyα および Lyβ 透過特徴によって示されるように、高度にイオン化された IGM の領域に存在するか？
• RQ3 これらの系統における酸素、炭素、ケイ素の相対的元素比は何か？ これらは主な核合成源（例：タイプII超新星対比 VMS）を何らかの形で示唆するか？
• RQ4 O/Si 要素比は、金属非存在の非常に巨大星が初期 IGM の金属豊度に与える寄与をどの程度制限できるか？
• RQ5 高赤方偏移視線に沿った O I、Si II、C II のイオン的共動質量密度は、宇宙の金属予算および再イオン化モデルの予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 6つの検出された O I 吸収系のうち4つ（N_OI > 10^13.7 cm⁻²）が、z = 6.42 のクェーサー SDSS J1148+5251 に向けて検出され、統計的フラクチュエーションや感度変動では説明できない顕著な過剰を示している。
• 過剰な O I 系統は、Lyα および Lyβ 透過領域に位置しており、これらは高度にイオン化された IGM に存在し、おそらくイオン化バブルまたはフィラメントの内部または近傍に位置している可能性がある。
• 平均元素比は ⟨[O/Si]⟩ = -0.04 ± 0.06、⟨[C/O]⟩ = -0.31 ± 0.09、⟨[C/Si]⟩ = -0.34 ± 0.07（2σ）であり、タイプII超新星による豊度増加と整合的である。
• O/Si 比は、金属非存在の非常に巨大星がこれらの系統に寄与する割合に <30% の厳密な上限を与える。この制限はイオン化補正に対して頑健である。
• イオン的共動質量密度は Ω_OI = (7.0 ± 0.6) × 10⁻⁸、Ω_SiII = (9.6 ± 0.9) × 10⁻⁹、Ω_CII = (1.5 ± 0.2) × 10⁻⁸ であり、宇宙の金属予算への寄与は顕著だが、サブドミナントである。
• 過剰な O I 系統の運動的性質—狭いドップラー幅（b ≈ 5–8 km s⁻¹）—は、広い、より複雑な系統とは異なることを示唆し、静穏で低イオン化のガス構造である可能性がある。