[論文レビュー] Excitation properties of galaxies with the highest [OIII]/[OII] ratios: No evidence for massive escape of ionizing photons

G. Stasińska, Y. I. Izotov+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 46被引用数 44

ひとこと要約

本研究は、宇宙再電離の主要メカニズムである電離光子の大量漏れを示すかどうかをテストするため、最高の[O III]/[O II]線比率を示す極端な青色コン pact矮星銀河（extreme BCDs）を調査した。深さのあるSDSS分光観測と弱線（例：[O I]、He II、[Ar IV]）を含む光電離モデルを用いて、観測された全線比を再現できるのは、電離境界型モデル（漏れ率が10%未満）に限られ、これらの高赤方偏移銀河の局所的類縁体としての有意なリーマン連続体漏れは否定された。

ABSTRACT

The possibility that star-forming galaxies may leak ionizing photons is at the heart of many present-day studies that investigate the reionization of the Universe. We test this hypothesis on local blue compact dwarf galaxies of very high excitation. We assembled a sample of such galaxies by examining the spectra from Data Releases 7 and 10 of the Sloan Digital Sky Survey. We argue that reliable conclusions cannot be based on strong lines alone, and adopt a strategy that includes important weak lines such as [OI] and the high-excitation HeII and [ArIV] lines. Our analysis is based on purely observational diagrams and on a comparison of photoionization models with well-chosen emission-line ratio diagrams. We show that spectral energy distributions from current stellar population synthesis models cannot account for all the observational constraints, which led us to mimick several scenarios that could explain the data. These include the additional presence of hard X-rays or of shocks. We find that only ionization-bounded models (or models with an escape fraction of ionizing photons lower than 10%) are able to simultaneously explain all the observational constraints.

研究の動機と目的

• 極端な青色コン pact矮星銀河（extreme BCDs）で[O III]/[O II]比が非常に高い（最大50）ものについて、宇宙再電離の主要プロセスである電離光子の有意な漏れを示すかどうかを特定すること。
• 高励起状態が、リーマン連続体（LyC）の漏れを許容する密度境界型H II領域に起因するという仮説を検証すること。これは、高赤方偏移のLyαおよびリーマンブレイク銀河と類似しているため。
• 特に高励起の弱線が電離診断に重要であることを踏まえ、現在の星族合成モデルが観測された線比を再現できるかどうかを評価すること。
• 標準モデルが失敗した場合に、硬X線や衝撃励起といった代替の電離源が観測された線比を説明できるかどうかを評価すること。
• 励起特性と電離放射場に基づいて、極端なBCDが再電離段階の高赤方偏移銀河の妥当な局所的類縁体であるかどうかを確立すること。

提案手法

• SDSS-III DR10およびDR7の分光データから、[O III]/[O II] > 5 でAGNの兆候のない星形成銀河のみを選別し、149個の極端なBCDのサンプルを構築した。
• [O I] λ6300、He II λ4686、[Ar IV] λ4740といった弱線を診断図に組み込み、強線診断を超えて電離パラメータと金属量の制約を高めた。
• モデルの事前仮定なしに、観測的な線比図（例：[O III]/[O II]、[Ne III]/[O II]、[Ar IV]/[O II]）を用いてトレンドを特定し、電離状態を制約した。
• CLOUDYを用いた光電離モデルを用い、電離境界型幾何構造を採用し、PopStarおよびstarburst99モデルの異なる電離放射場を、年齢（1–5 Myr）と金属量（Z = 0.004–0.008）の範囲でテストした。
• 観測された線比とモデル予測を診断図を用いて比較し、ほこりの吸収効果を評価するため、入力電離パラメータの関数としてL(Hβ)/Q(H⁰)を用いた。
• 標準星族モデルが失敗した場合の代替シナリオ（例：硬X線寄与、衝撃励起）を検討し、観測とモデルの乖離を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準の星族合成モデル（PopStar、starburst99）は、特に高励起の弱線を含めた観測された線比を再現できるか？
• RQ2 極端なBCDで観測された極めて高い[O III]/[O II]比は、主に密度境界型H II領域からの電離光子漏れに起因するのか？これは高赤方偏移再電離源の仮説に基づく。
• RQ3 観測された全線比（[O I]、He II、[Ar IV]を含む）と整合する最大の電離光子漏れ率はどれくらいか？
• RQ4 代替の電離源（例：硬X線、衝撃）は、標準的な大質量星による光電離に比べて、観測された励起状態をよりよく説明できるか？
• RQ5 ほこりの吸収と電離パラメータは、低金属量系において観測されるHβの輝度と線比診断にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 高励起の弱線、特に[O I] λ6300、He II λ4686、[Ar IV] λ4740の組み込みが、電離状態の制約を高め、高電離光子漏れを示すモデルを除外する上で不可欠であった。
• 標準の星族合成モデル（PopStarおよびstarburst99）は、観測された全線比を同時に再現できず、特に[Ar IV]/[O II]および[He II]/[O II]比が高すぎた。
• 観測の全制約（[O III]/[O II]比と弱線比を含む）を同時に再現できるのは、電離境界型光電離モデル（電離光子漏れ率が10%未満）に限られていた。
• 最大50に達する観測された[O III]/[O II]比は、高電離パラメータと低金属量（12 + log O/H ≈ 8.0–8.2）に起因し、有意なLyC漏れとは無関係であった。
• 硬X線や衝撃励起を含むシナリオは、[Ar IV]/[O II]および[He II]/[O II]比を含む全線比を再現できず、一貫性の欠如を伴った。
• 観測された元素比（例：N/O、Ne/O、Fe/O）は、低金属量・低ほこり環境と整合的であり、ほこり吸収が最小限の電離境界型H II領域の解釈を支持した。