[論文レビュー] Implications of the Lyman alpha Emission Line from a Candidate z=10 Galaxy

Renyue Cen, Zoltán Haiman+1 more|ArXiv.org|Mar 17, 2004

Advanced Measurement and Detection Methods被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、z=10の候補銀河からの対称的Lyman-alpha線幅の発生を調査し、通常のIGM吸収による非対称的線幅とは対照的に、その異常な対称性が周囲のガスに対して銀河が≥35 km/sの速度で後退していることによるものであると提唱している。この速度シフトは、団やクラスタ環境でのみ妥当なため、完全に中性なIGMにおいても線幅が対称のままであることを可能にし、銀河が孤立しているのではなく、より大きなシステムの一部である可能性を示唆している。

ABSTRACT

The recently discovered z=10 galaxy (Pello et al 2004) has a strong Lyman alpha emission line that is consistent with being surprisingly symmetric, even given the relatively poor quality of its spectrum. The blue wing of a Lyman alpha line originating at high redshift should be strongly suppressed by resonant hydrogen absorption along the line of sight, an expectation borne out by the observed asymmetric shapes of the existing sample of Lyman alpha emitting sources at lower redshifts (3< z < 6.7). Absorption on the blue side of the line of the Pello et al. source could be reduced if the intergalactic medium (IGM) in the vicinity of the galaxy is highly ionized, but we show that this requires an unrealistically high ionizing emissivity. We suggest instead that the Lyman alpha emitting gas be receding relative to the surrounding gas with a velocity of >= 35km/s, a large velocity that is plausible only if the galaxy is part of a larger system (group of galaxies) with a velocity dispersion >= 35km/s. We find that with this velocity shift, the observed strength and shape of the line is still consistent with the galaxy being surrounded by its own Stromgren sphere embedded in a fully neutral IGM. More generally, we predict that at any given redshift, the bright Lyman alpha emitters with broader lines would exhibit stronger asymmetry than fainter ones. Bright galaxies with symmetric Lyman alpha lines may be signposts for groups and clusters of galaxies, within which they can acquire random velocities comparable to or larger than their linewidths.

研究の動機と目的

• z=10の候補銀河における対称的Lyα発光線幅の起源を理解すること。これは、IGM吸収による強い非対称性が予想されるのと矛盾する。
• 観測された線幅の対称性が、高赤方偏移における完全に中性なIGMと整合するかを評価すること。
• 線幅プロファイルが、発光ガスと周囲IGMとの間の高エネルギーオフセットを示唆するかを特定すること。これにより銀河の環境にどのような含意があるかを明らかにすること。
• 観測された線幅特性が、z=10におけるIGMの中性割合にどのような制約を課すかを評価すること。
• 対称的Lyα線幅を用いた高赤方偏移銀河の検出および団／クラスタ環境の同定にどのような含意があるかを検討すること。

提案手法

• 著者らは、線幅の対称性を定量化するため、flux ratio R = L_b / L_r を定義した。ここで L_b と L_r はLyα線の青・赤側翼における輝度である。
• 観測スペクトルからの誤差伝搬を用いて、個々のピクセルのノイズを考慮してRの不確実性を推定した。
• レゾナント散乱とダミングウェーブの効果を組み込んだ放射輸送を用いて、中性IGMを通るLyα線幅プロファイルをモデル化した。
• 発光ガスと周囲IGMとの間の相対速度をさまざまな値でシミュレートし、速度シフトが対称性に与える影響をテストした。
• Pelloら（2004年）の観測スペクトルとモデル予測を比較し、減光およびスペクトル分解能の補正を加えた。
• 観測された速度オフセットを支えるために必要なイオン化放射出力およびハロー質量を推定し、これにより団スケール構造と関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜz=10銀河のLyα発光線幅は、IGM吸収による青側抑制が予想されるのと対照的に、対称的であると観測されたのか？
• RQ2 観測された線幅の対称性を再現するため、発光ガスと周囲IGMとの間で必要な相対速度オフセットはどの程度か？
• RQ3 観測された線幅プロファイルは、z=10における完全に中性なIGM内に銀河が埋め込まれている状況と整合するか？
• RQ4 このような速度オフセットを生じさせるために必要な環境的条件（例：団やクラスタへの所属）は何か？
• RQ5 このような対称的Lyα線幅を用いた高赤方偏移銀河の同定に、統計的にどのような含意があるのか？

主な発見

• 観測された線幅の対称性は、発光ガスが周囲IGMに対して最小でも35 km/sの速度で後退している必要があることを示している。
• ≥35 km/sの速度オフセットがあれば、完全に中性なIGM内でも線幅が対称的になることが説明可能であり、その際線幅は30倍に減衰する。
• 必要な速度シフトは、速度分散が≥35 km/sのより大きなシステム内に銀河が存在するという説明が最も妥当である。
• モデルはz=10における完全に中性なIGMと整合性を持つが、不確実性のため中性割合の制約は強くない。
• 対称的線幅を示す明るいLyα発光銀河は、このような速度オフセットが一般的な団やクラスタの兆候である可能性がある。
• この調査領域内でのそのようなハローの予想数は、質量2×10^10 M☉の場合約1個であり、この状況の妥当性を支持している。