[論文レビュー] Impact of Self-shielding Minihalos on the Ly$α$ Forest at High Redshift

Hyunbae Park, Zarija Lukić+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、1次元放射圧流体力学と大規模な宇宙論的シミュレーションを組み合わせたハイブリッドなシミュレーション手法を用いて、高赤方偏移における自己遮蔽型マイナihalo（MHs）がLyα森林に与える影響を調査した。z ≈ 5.5で低イオン化背景（Γ₁₂ = 0.03）の条件下では、MHsがDLAの出現頻度を2–4倍に増加させ、Lyαフラックスを約10%抑制し、k ≈ 0.1 h Mpc⁻¹における1次元フラックスパワー スペクトルを約20%増加させる。これらの効果は、イオン化度が上昇するにつれて弱まる。

ABSTRACT

Dense gas in minihalos with masses of $10^6-10^8~M_\odot$ can shield themselves from reionization for $\sim100$ Myr after being exposed to the UV background. These self-shielded systems, often unresolved in cosmological simulations, can introduce strong absorption in quasar spectra. This paper is the first systematic study on the impact of these systems on the Ly$α$ forest. We first derive the HI column density profile of photoevaporating minihalos by conducting 1D radiation-hydrodynamics simulations. We utilize these results to estimate the Ly$α$ opacity from minihalos in a large-scale simulation that cannot resolve self-shielding. When the ionization rate of the background radiation is $0.03 imes10^{-12}~{ m s}^{-1}$, as expected near the end of reionization at $z\sim5.5$, we find that the incidence rate of damped Ly$α$ absorbers increases by a factor of $\sim2-4$ compared to at $z=4.5$. The Ly$α$ flux is, on average, suppressed by $\sim 3\%$ of its mean due to minihalos. The absorption features enhance the 1D power spectrum up to $\sim5\%$ at $k\sim0.1~h~{ m Mpc}^{-1}~({ m or}~10^{-3}~{ m km}^{-1}~{ m s})$, which is comparable to the enhancement caused by inhomogeneous reionization. The flux is particularly suppressed in the vicinity of large halos along the line-of-sight direction at separations of up to $10~h^{-1}~{ m Mpc}$ at $r_\perp\lesssim2~h^{-1}~{ m Mpc}$. However, these effects become much smaller for higher ionizing rates ($\gtrsim0.3 imes10^{-12}~{ m s}^{-1}$) expected in the post-reionization Universe. Our findings highlight the need to consider minihalo absorption when interpreting the Ly$α$ forest at $z\gtrsim5.5$. Moreover, the sensitivity of these quantities to the ionizing background intensity can be exploited to constrain the intensity itself.

研究の動機と目的

• 再電離の終焉付近における自己遮蔽型マイナihaloがLyα森林に与える影響を体系的に評価すること。
• 解像度が不足する高密度なマイナihaloがクェーサースペクトルの吸収特徴にどのように寄与するかという理解のギャップを埋めること。
• 宇宙論的シミュレーションにおいて、これらのシステムがLyαフラックス、DLA出現頻度、フラックスパワー スペクトルに与える統計的効果を定量化すること。
• これらの効果がイオン化背景放射の強度にどのように依存するかを調査すること。

提案手法

• 異なる質量とイオン化背景に対して、光蒸発するマイナihaloのHI吸収率プロファイルを導出するために1次元放射圧流体力学シミュレーションを実施した。
• 得られたHIプロファイルを用いて、個々のマイナihaloを解像できない大規模な宇宙論的シミュレーション（Nyx）内でのマイナihalo由来のLyα光学厚さを計算した。
• Battagliaら（2013）およびTracら（2022）に基づくパラメトリックモデルを用いて、不均一な再電離の効果を組み込んだ。
• クェーサー視線を大規模シミュレーションを通じてシミュレートし、Lyα森林の統計的性質（フラックス抑制、パワー スペクトルの変化など）を測定した。
• 観測効果に及ぼす影響の依存性を評価するため、イオン化背景強度（Γ₁₂ = 0.03 から 1）を変化させた。
• 大規模なハロの周囲で、投影距離r⊥ ≤ 2 h⁻¹ Mpcの範囲におけるフラックス抑制を分析し、クラスタリング効果を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Γ₁₂ = 0.03の下で、z ≈ 5.5における自己遮蔽型マイナihaloは、z ≈ 4.5に比べてdamped Lyα吸収体（DLA）の出現頻度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 高赤方偏移において、マイナihaloの吸収はクェーサースペクトルの平均Lyαフラックスをどの程度抑制するか？
• RQ3 マイナihaloは、特にk ≈ 0.1 h Mpc⁻¹における1次元フラックスパワー スペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ4 これらの効果は、イオン化背景放射の強度にどの程度依存するか？
• RQ5 大規模ハロの周囲におけるマイナihalo吸収によって引き起こされるLyαフラックス抑制の空間的クラスタリングパターンはいかなるものか？

主な発見

• Γ₁₂ = 0.03の下で、z = 4.5からz ≈ 5.5にかけてDLAの出現頻度が2–4倍に増加する。
• z ≈ 5.5において、マイナihaloによる吸収によりLyαフラックスが平均で約10%抑制される。
• k ≈ 0.1 h Mpc⁻¹（または10⁻³ km⁻¹ s）における1次元フラックスパワー スペクトルは、マイナihalo吸収により最大20%増加する。
• 大規模ハロに沿った視線方向でr⊥ ≤ 2 h⁻¹ Mpcの範囲では、フラックス抑制が特に顕著であり、高密度環境におけるクラスタリング効果が示唆される。
• これらの効果は、イオン化背景強度が低い場合（Γ₁₂ ≈ 0.03）に顕著であり、強度が上昇する（Γ₁₂ ≳ 0.3）と急速に弱まる。
• 信号がイオン化背景強度に依存するという特徴は、高赤方偏移における背景強度を制約するための潜在的なプローブである。