[論文レビュー] Imaging the Lyman-alpha Forest

Andrew Gould, David H. Weinberg|ArXiv.org|Dec 20, 1995

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 75

ひとこと要約

本稿では、クェเซアの吸収線から知られている光学的厚さの高いリプマンアルファ雲が、大型望遠鏡を用いた長時間積算により、蛍光的リプマンアルファ線発光として直接撮像可能であると提唱している。著者らは、リプマンアルファ線発光の放射束がイオン化背景放射のエネルギー密度に比例することを示しており、これにより幾何学的依存性のないメタギャラクティック紫外線背景の直接測定が表面輝度マッピングによって可能になる。

ABSTRACT

We show that it is now possible to image optically thick $\lya$ clouds in fluorescent $\lya$ emission with a relatively long ($\sim 20 $hr) integration on a large ($\sim 10 $m) telescope. For a broad range of column densities ($N\gsim 10^{18.5} \cm^{-2}$), the flux of $\lya$ photons from recombination cascades is equal to $\sim 0.6$ times the flux of ionizing photons, independent of the geometry of the cloud. Additional $\lya$ photons are produced by collisional excitations when these are the cloud's primary cooling mechanism. For typical physical conditions expected in optically thick clouds, these mechanisms together lead to a $\lya$ emission flux that is $\sim (2/3) \VEVν/ν_0$ times the flux of ionizing photons, where $\VEVν$ is the mean frequency of ionizing background photons and $ν_0$ is the Lyman limit frequency. Hence, measurement of the surface brightness from an optically thick cloud (known to exist, e.g., from a quasar absorption line) gives a direct measure of the energy in the ionizing radiation background. Moreover, in the same long slit spectrum one could hope to detect emission from $\sim 200$ other $\lya$ systems. Such detections would allow one to make a 2-dimensional map of the $\lya$ forest. By taking a series of such spectra, one could map the forest in three dimensions, revealing structure in the high-redshift universe.

研究の動機と目的

• 大型望遠鏡を用いた蛍光的リプマンアルファ発光による光学的厚さの高いリプマンアルファ雲の直接撮像法の開発。
• 1つの長スリットスペクトル内で複数のシステムの発光を検出することにより、リプマンアルファフォrestの3次元マッピングを可能にすること。
• 観測されたリプマンアルファ表面輝度を用いた、イオン化放射背景エネルギー密度の直接的かつ幾何学的依存性のない測定。
• 高赤方偏移ガス雲における光子イオン化と内部加熱の主因を区別すること。

提案手法

• 再結合および衝突によるリプマンアルファ線生成を、解析的および数値的シミュレーションでモデル化。
• 再結合カスケードからのリプマンアルファ線の放射束を導出し、それがイオン化光子の放射束に (⟨ω⟩/ω₀) 倍に比例することを示している。
• 雲のトポロジー（一様吸収体対クラスタ化した雲片の集合）が、放射光の空間的および周波数的分布に与える影響を検討。
• 10m望遠鏡を用いた、ファイドシャル観測の信号対雑音比の推定（積算時間 ≈10時間）。
• 長スリット分光法を用いて既知の吸収システムからの発光を検出するとともに、新たなシステムの発見を提案。
• 異なるスリット位置での繰り返し分光観測により、リプマンアルファフォレストの3次元マップが構築可能であると提言。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の大型望遠鏡を用いて、光学的厚さの高いリプマンアルファ雲を蛍光発光として撮像できるか？
• RQ2 これらの雲における再結合および衝突励起に起因する予想されるリプマンアルファ発光の放射束はどの程度か？
• RQ3 発光信号が吸収雲の幾何学的形状およびトポロジーにどのように依存するか？
• RQ4 リプマンアルファ発光の表面輝度測定は、イオン化背景エネルギー密度の直接的かつ頑健な推定を可能にするか？
• RQ5 発光マッピングを用いることで、高赤方偏移ガス雲における内部加熱源にどのような制約を課すことができるか？

主な発見

• 再結合カスケードに起因するリプマンアルファ発光の放射束は、雲の幾何学的形状に依存せず、イオン化光子の放射束の (⟨ω⟩/ω₀) 倍に比例する。
• 光学的厚さの高い雲における典型的な物理的条件では、全リプマンアルファ発光の放射束は、イオン化光子の放射束の ≈ (⟨ω⟩/ω₀) 倍であり、実際の紫外線背景では (⟨ω⟩/ω₀) ≈ 1.5–2.5 となる。
• 衝突励起は、特に高密度および高温（T ≈ 10^4 K）の状態で冷却機構として主要な場合に、リプマンアルファ発光に顕著な寄与を示す。
• リプマンアルファ発光の表面輝度は、雲のトポロジーにほとんど依存しないため、イオン化背景の強力なプローブとなる。
• 10m望遠鏡を用いた10時間の積算では、z ≈ 2–3 の既知の光学的厚さの高いリプマンアルファシステムに対して、信号対雑音比 ≈10 を得られる。
• 1つの長スリットスペクトル内で複数のリプマンアルファシステムからの発光を検出できれば、フォレストの2次元マッピングが可能となり、繰り返し観測により高赤方偏移ガスの3次元構造マップが得られる。