[論文レビュー] Hydrogen reionisation ends by $z=5.3$: Lyman-$\alpha$ optical depth measured by the XQR-30 sample

Sarah E. I. Bosman, Frederick B. Davies+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2021

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、XQR-30サンプルの高SNR VLT/X-Shooterスペクトルを用いて、z > 5.5におけるリプマン-アルファ光学的厚さを測定した。その結果、均一なUVBモデルはz ≥ 5.4における観測された透過率の散らばりを再現できないことが判明した。結果として、水素再イオン化はz = 5.3までに終了しており、イオン化度、中性水素分率、または温度にわたる持続的なIGMの不均一性が示唆され、再イオン化が遅れて不均一に終了したことを支持する。

ABSTRACT

The presence of excess scatter in the Ly-$\alpha$ forest at $z\sim 5.5$, together with the existence of sporadic extended opaque Gunn-Peterson troughs, has started to provide robust evidence for a late end of hydrogen reionisation. However, low data quality and systematic uncertainties complicate the use of Ly-$\alpha$ transmission as a precision probe of reionisation's end stages. In this paper, we assemble a sample of 67 quasar sightlines at $z>5.5$ with high signal-to-noise ratios of $>10$ per $\leq 15$ km s$^{-1}$ spectral pixel, relying largely on the new XQR-30 quasar sample. XQR-30 is a large program on VLT/X-Shooter which obtained deep (SNR $>20$ per pixel) spectra of 30 quasars at $z>5.7$. We carefully account for systematics in continuum reconstruction, instrumentation, and contamination by damped Ly-$\alpha$ systems. We present improved measurements of the mean Ly-$\alpha$ transmission over $4.9<z<6.1$. Using all known systematics in a forward modelling analysis, we find excellent agreement between the observed Ly-$\alpha$ transmission distributions and the homogeneous-UVB simulations Sherwood and Nyx up to $z\leq5.2$ ($<1 \sigma$), and mild tension ($\sim 2.5 \sigma$) at $z=5.3$. Homogeneous UVB models are ruled out by excess Ly-$\alpha$ transmission scatter at $z\geq5.4$ with high confidence ($>3.5 \sigma$). Our results indicate that reionisation-related fluctuations, whether in the UVB, residual neutral hydrogen fraction, and/or IGM temperature, persist in the intergalactic medium until at least $z=5.3$ ($t=1.1$ Gyr after the Big Bang). This is further evidence for a late end to reionisation.

研究の動機と目的

• 高SNRクェーサースペクトルを用いて、z > 5.5におけるリプマン-アルファ光学的厚さを高精度に測定すること。
• 均一なUVBモデル（Sherwood, Nyx）が高赤方偏移における観測されたリプマン-アルファ透過率を再現できるかどうかを検証すること。
• 連続スペクトル再構築、機器応答、ダムプド・リプマン-アルファ系の汚染が透過率測定に与える系外要因の役割を評価すること。
• 透過率の散らばりとプロファイルを分析することで、水素再イオン化が終了する赤方偏移を特定すること。

提案手法

• 主にXQR-30調査（15 km s⁻¹ピクセルあたりSNR > 10）から得た、z > 5.5における67本の高SNRクェーサースペクトル線路を構築した。
• z > 5.7に位置する30個のクェーザーからの深さのあるX-Shooterスペクトル（1ピクセルあたりSNR > 20）を用い、SNRを向上させ、ノイズ由来の散らばりを低減した。
• 連続スペクトル再構築、機器応答、DLA汚染のすべての既知の系外要因を組み込んだ、均一なUVBシミュレーション（Sherwood, Nyx）を用いてリプマン-アルファ透過率の前向きモデリングを実施した。
• 統計的有意水準（σレベル）を用いて、観測された透過率分布とモデル予測との間に生じる矛盾を定量化し、特にz ≈ 5.3–5.8における散らばりと平均透過率に注目した。
• 固定された赤方偏移において複数のスリーブラインを比較することで、宇宙的分散と線路ごとの差異を考慮した。
• 光学的厚さ測定の信頼性を確保するため、きめ細かい誤差伝搬と系外要因補正を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リプマン-アルファ透過率とその散らばりに基づいて、水素再イオン化はどの赤方偏移で終了するか？
• RQ2 均一なUVBモデルは、z ≈ 5.3–5.8における観測されたリプマン-アルファ透過率を正確に再現できるか？
• RQ3 z ≥ 5.4における過剰なリプマン-アルファ透過率の散らばりは、IGMの不均一性を示唆するものであり、その有意水準は何か？
• RQ4 連続スペクトルフィッティング、DLA汚染、機器応答の系外要因は、高赤方偏移におけるリプマン-アルファ測定にどのように影響を与えるか？
• RQ5 z > 5.5における観測された透過率プロファイルは、遅れて不均一に進行する再イオン化シナリオで説明可能か？

主な発見

• z ≤ 5.2では、平均リプマン-アルファ光学的厚さは、均一なUVBモデル（Sherwood, Nyx）と1σ未満の一致を示した。
• z = 5.3では、観測と均一なUVBモデルとの間にやや強い矛盾（約2.5σ）が認められた。
• z ≥ 5.4における過剰なリプマン-アルファ透過率の散らばりは、均一なUVBモデルによって3.5σ以上という有意水準で排除された。
• UV背景、中性水素分率、または温度の変動を伴うIGMの不均一状態の持続は、再イオン化がz = 5.3までに終了したことを示唆している。
• 結果は、再イオン化が遅れて不均一に終了したことを支持しており、z = 5.3（ビッグバン後11億年）以降も中性領域が残存していた可能性を示している。
• XQR-30サンプルは、これまでで最も高精度な高赤方偏移リプマン-アルファ透過率測定を提供し、再イオン化終焉段階に対する強固な制約を可能にした。