[論文レビュー] Evolution of the Lyman-α emitting fraction and UV properties of lensed star-forming galaxies between 2.9 < z < 6.7

Ilias Goovaerts, R. Pelló+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2023

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ひとこと要約

本研究では、4つの銀河クラスタの強力な重力レンズを用いて、2.9 < z < 6.7 の範囲で微弱なライマン-α発光体（LAE）およびライマン・ブレイク銀河（LBG）を調査し、M1500 ≈ −12 および log(LLyα) ≈ 39 erg s⁻¹ の限界に達した。LAE割合（XLAE）の二峰性の進化が明らかになった。UVが明るい銀河では、z ≈ 6 に近づくにつれて XLAE が増加するが、UVが微弱な銀河では XLAE が減少する。これは、再電離領域に低EWのUVが明るいLAEが存在する可能性を示唆している。

ABSTRACT

Faint galaxies are theorised to have played a major role in reionising the Universe. Their properties as well as the Lyman-α emitter fraction, could provide useful insight into this epoch. We use four galaxy clusters from the Lensed Lyman-alpha MUSE Arcs Sample (LLAMAS) which also have deep HST photometry to select a population of intrinsically faint Lyman Break Galaxies (LBGs) and Lyman-alpha Emitters (LAEs). We study the interrelation of these two populations, their properties, and the fraction of LBGs that display Lyman-alpha emission. The use of lensing clusters allows us to access an intrinsically faint population, the largest sample collected for this purpose: 263 LAEs and 972 LBGs between redshifts of 2.9 and 6.7, Lyman-alpha luminosities between 39.5 &lt; log(L)(erg/s) &lt; 42 and absolute UV magnitudes between -22 &lt; M1500 &lt; -12. We find a redshift evolution of the Lyman-alpha emitter fraction in line with past results, with diminished values above z = 6, taken to signify an increasingly neutral intervening IGM. Inspecting this redshift evolution with different limits on Lyman-alpha equivalent width (EW) and M1500 we find that the Lyman-alpha emitter fraction for the UV-brighter half of our sample is higher than the fraction for the UV-fainter half, a difference which increases at higher redshift. This is a surprising result and can be interpreted as a population of low Lyman-alpha EW, UV-bright galaxies situated in reionised bubbles. This result is especially interesting in the context of similar, UV-bright, low Lyman-alpha EW objects recently detected around the epoch of reionisation. We extend to intrinsically fainter objects the previously observed trends of LAEs among LBGs as galaxies with high star-formation rates and low dust content, as well as the strongest LAEs having in general fainter UV magnitudes and steeper UV slopes.

研究の動機と目的

• 微弱で高赤方偏移の銀河におけるライマン-α発光体割合（XLAE）の進化を調査すること。
• 内在的に微弱な星形成銀河におけるライマン-α発光、UVの明るさ、チリの含量の相関を検討すること。
• レンズ効果を用いたサンプルを用いて、微弱銀河が宇宙の再電離に果たす役割を評価すること。
• 連続スペクトルが検出されないLAEの存在を調査し、全体のLAE集団に与える寄与を明らかにすること。

提案手法

• LLAMASサンプルに属する4つの強力な重力レンズ銀河クラスタを用い、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）の深紫外・可視光フィルターによる画像と、MUSEの積分場分光法（IFS）を組み合わせた。
• 2.9 < z < 6.7 の範囲で、972個のLBGと263個のLAEを同定し、Lyα発光度は log(LLyα) ≈ 39 erg s⁻¹ まで検出可能であった。
• 別個のサンプルを定義：連続スペクトルが検出されたLAEと検出されないLAE、および連続スペクトルが検出されないLAEの独立した集団。
• UVが明るい（M1500 ≤ −18）と微弱な（M1500 > −18）にサンプルを二分し、XLAEの進化を比較した。
• 等価幅（EWLyα）とUV傾斜（β）を測定し、チリの含量と星形成率を推定した。
• 電離放射の透過率を調査するため、fesc,UV と fesc,Lyα を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z = 2.9 から z = 6.7 の間で、微弱でレンズ効果を受ける星形成銀河におけるLAE割合（XLAE）はどのように赤方偏移とともに変化するか？
• RQ2 微弱銀河において、UV明るさ（M1500）、Lyα等価幅（EWLyα）、XLAE の関係は何か？
• RQ3 M1500 > −16 の領域に連続スペクトルが検出されないライマン-α発光体の集団が顕著に存在するか？ その寄与は全体のLAE集団に対してどのような役割を果たすか？
• RQ4 UVが明るいと微弱な銀河集団におけるXLAEの進化はどのように異なるか？
• RQ5 電離放射の相対的透過率（fesc,UV 対 fesc,Lyα）は、微弱銀河におけるチリの含量と銀河進化の状態をどのように示唆するか？

主な発見

• UVが明るい側のサンプルでは、z ≈ 6 に近づくにつれて XLAE が増加するが、UVが微弱な側では減少し、最も高い赤方偏移領域では統計的に有意な差が認められた。
• UVが明るいと微弱なサンプル間の XLAE 進化の違いは、再電離領域に低EWのUVが明るいLAEが存在することを示唆しており、最近の再電離期周辺での検出結果とも整合的である。
• 25 Å の等価幅の上限を外しても、両サンプル間の明確な違いが残り、低EWのLAEがUVが明るい銀河に特に多く存在することが確認された。
• UVが微弱な銀河は平均的により大きなLyα等価幅（EWLyα）を示し、これはM1500 ≈ −12 まで継続する傾向であると予想される。
• UVが明るいサンプルでは、fesc,UV が fesc,Lyα よりも高い値を示しており、これは古く、チリが多く、化学的に進化した集団であることを示唆しているが、微弱な銀河では不確実性が依然として高い。
• 最も深いHSTの画像でも、M1500 > −16 の領域では連続スペクトルが検出されないLAEが依然として有意な割合を占めており、今後のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の調査が、それらの性質を解明するために不可欠であることが示された。