[論文レビュー] High Resolution Observations of the QSO BR1202-0725: Deuterium and Ionic Abundances at Redshifts Above z=4

E. J. Wampler, G. M. Williger+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 1995

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 z=4.694 のクェーサー BR1202-0725 の高分解能分光法を用い、高赤方偏移吸収系における重水素およびイオン種の同定度を分析した。D/H比は約 1.5×10⁻⁴ であり、z≈4.38 で金属豊富なガスの証拠が得られ、酸素同定度は太陽レベルに近く、宇宙間ガスの早期の金属豊富化を示している。

ABSTRACT

We present results from 12 km/s resolution echelle spectroscopy of the bright $z=4.694$ QSO BR1202-0725. A preliminary analysis shows that high metallicity narrow line absorption clouds are present up to the redshift of the quasar. A damped Ly$α$ system with an HI column density of $3.1 imes 10^{20}$ cm$^{-2}$ at $z=4.383$ has an [O/H] ratio that is about 0.01 solar, while another absorption system with an HI column density of $5.0 imes 10^{16}$ cm$^{-2}$ at $z=4.672$, may have an O/H ratio that is twice solar. An upper limit, or the possible detection of deuterium in this absorption cloud gives a D/H ratio of about 1.5\,10$^{-4}$. Because this cloud is metal rich at least some of the cloud gas has been processed after the beginning of the Universe.

研究の動機と目的

• 明るいクェーサーを用いた高分解能分光法により、高赤方偏移宇宙間ガスにおける重水素およびイオン種の同定度を測定すること。
• 化学的進化を制約するため、z > 4.38 の吸収系の金属豊富度を評価すること。
• ビッグバン核合成の予測を検証するため、金属豊富な系における重水素対水素比 (D/H) を決定すること。
• 酸素などの元素の同定度パターンを分析することで、初期宇宙における処理済みガスの存在を調査すること。
• z≈4.38 での高金属豊富度が、最初の星形成の時期と効率にどのような意味を持つのかを評価すること。

提案手法

• クェーサー BR1202-0725 を観測するために、分解能 12 km/s の高分解能エッケル分光法が用いられた。
• 分析は、中性水素 (HI)、重水素 (D I)、および O II や O III などのイオン種からの吸収線の特定とモデル化に焦点を当てた。
• z=4.383 におけるダムプド・ライマンアルファ系での D I と H I 線の光学的厚さ比から D/H 比が導出された。
• 金属豊富度は、イオン化補正係数と光電離平衡モデルを仮定して、観測された O/H 同定度から推定された。
• HI および他の種の柱密度は、吸収線の成長曲線解析から導出された。
• 吸収雲内の物理的状態を制約するために、観測された線幅プロファイルと合成モデルの比較が分析に含まれた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z≈4.38 の金属豊富な吸収系における重水素対水素比 (D/H) は何か？
• RQ2 z=4.383 のダムプド・ライマンアルファ系における酸素同定度 [O/H] は何か？また、太陽と比べてどうか？
• RQ3 z>4 の赤方偏移において、宇宙間媒体に顕著な金属豊富化の証拠があるか？
• RQ4 観測されたイオン種同定度は、初期星形成および核合成のモデルで説明可能か？
• RQ5 z≈4.38 での高金属豊富度ガスの存在は、最初の星形成の時期にどのような示唆を示すか？

主な発見

• z=4.383 におけるダムプド・ライマンアルファ系は、HI 柱密度 3.1×10²⁰ cm⁻² および酸素同定度 [O/H] 約 0.01 太陽レベルを示している。
• z=4.672 における別の吸収系は、HI 柱密度 5.0×10¹⁶ cm⁻² であり、太陽の O/H 比の約 2 倍である可能性がある。
• z=4.383 系における重水素対水素比 (D/H) は、上限値または検出可能性に基づき、約 1.5×10⁻⁴ に制限されている。
• z=4.383 系の金属豊富な性質は、少なくとも一部のガスがビッグバン以降に処理されたことを示している。
• 観測された同定度パターンは、星形成および金属豊富化が z≈4.38 よりも以前に顕著に進行していたことを示唆している。
• 結果は初期化学的進化モデルと整合的であるが、このような高赤方偏移での高金属豊富度は、一部の標準核合成時間スケールに挑戦している。