[論文レビュー] Inside the bubble: exploring the environments of reionisation-era Lyman-$α$ emitting galaxies with JADES and FRESCO

Joris Witstok, Renske Smit+36 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、 JWST/JADES および FRESCO データを用いて z ~ 5.8–8 の 17 個の Lyman-α 発光銀河の環境を調べ、電離バブルのサイズと再電離期間中の Lyα 伝播における周囲の過密度の役割を推定します。

ABSTRACT

We present a study of the environments of 17 Lyman-$α$ (Ly$α$) emitting galaxies (LAEs) in the reionisation era ($5.8 < z < 8$) identified by JWST/NIRSpec as part of the JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Unless situated in sufficiently (re)ionised regions, Ly$α$ emission from these galaxies would be strongly absorbed by neutral gas in the intergalactic medium (IGM). We conservatively estimate sizes of the ionised regions required to reconcile the relatively low Ly$α$ velocity offsets ($Δv_ ext{Ly$α$}<300\,\mathrm{km\,s^{-1}}$) with moderately high Ly$α$ escape fractions ($f_\mathrm{esc,\,Lyα}>5\%$) observed in our sample of LAEs, suggesting the presence of ionised hydrogen along the line of sight towards at least eight out of 17 LAEs. We find minimum physical `bubble' sizes of the order of $R_ ext{ion}\sim0.1$-$1\,\mathrm{pMpc}$ are required in a patchy reionisation scenario where ionised bubbles containing the LAEs are embedded in a fully neutral IGM. Around half of the LAEs in our sample are found to coincide with large-scale galaxy overdensities seen in FRESCO at $z \sim 5.8$-$5.9$ and $z\sim7.3$, suggesting Ly$α$ transmission is strongly enhanced in such overdense regions, and underlining the importance of LAEs as tracers of the first large-scale ionised bubbles. Considering only spectroscopically confirmed galaxies, we find our sample of UV-faint LAEs ($M_ ext{UV}\gtrsim-20\,\mathrm{mag}$) and their direct neighbours are generally not able to produce the required ionised regions based on the Ly$α$ transmission properties, suggesting lower-luminosity sources likely play an important role in carving out these bubbles. These observations demonstrate the combined power of JWST multi-object and slitless spectroscopy in acquiring a unique view of the early Universe during cosmic reionisation via the most distant LAEs.

研究の動機と目的

• Lyα 発光が不均一な IGM における電離領域をどう追跡するかを動機づける。
• 観測された Lyα 特性と IGM の中性度を調整するのに必要な最小の電離バブルサイズを定量化する。
• LAEs が Lyα の可視性を促進する大規模な過密域を追跡しているかを評価する。
• UV 薄明の銀河と近傍星が電離領域の形成に果たす役割を評価する。
• 早期宇宙を研究するための JWST の多天体分光法とスリットレス分光法の有用性を示す。

提案手法

• JWST/NIRSpec および FRESCO により同定された 5.8 < z < 8 の 17 個の LAE のサンプルを作成する。
• R1000 光スペクトルと文献から Lyα の速度オフセット (Δv_Lyα) と逃走分率 (f_esc,Lyα) を推定する。
• パッチワイシyな再電離シナリオで Lyα 伝播を許容するために必要な最小電離バブルサイズ (R_ion) を推定する。
• z ~ 5.8–5.9 および z ~ 7.3 での FRESCO データのスペクトルで確認された近傍星および過密域と LAE を相互相関させる。
• Lyα の性質を電離バブルサイズに翻訳するために平坦な ΛCDM 宇宙論と固定された水素分率を採用する。
• LAE を取り巻く文脈としての投影された電離バブルの視覚化を示す。

Figure 1: Redshift histogram of spectroscopically confirmed galaxies over GOODS-S. Sources confirmed in JADES NIRSpec observations ( Sect. 2.1 ) are shown by the black histogram , while the red distribution is of those identified in FRESCO data ( Oesch et al. 2023 ) , discussed in Sect. 2.3 . EoR (

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再電離時代の LAE に対して、それらの Δv_Lyα および f_esc,Lyα を考慮した場合、観測された Lyα 伝播を可能にするために必要な周囲の電離バブルサイズはどれくらいか。
• RQ2 LAEs は早期のバブル成長と Lyα 可視性を促進する大規模な過密域に位置している、またはそれらの近くにあるのか。
• RQ3 UV 薄明の LAE とその隣人は、これらの銀河の周囲に電離領域を作り出すのに自分たちだけで寄与できるのか。
• RQ4 JWST/NIRSpec および FRESCO データは、 distant LAEs の再電離環境を地上ベースの調査とどのように補完するのか。

主な発見

• 最小の電離領域サイズは、パッチワイシy な再電離の枠組みで R_ion ~ 0.1–1 pMpc 程度である。
• LAE の約半数が FRESCO で見られる大規模な銀河過密域と一致し、過密域で Lyα 伝播が強化されることを示唆する。
• UV 薄明 LAE (M_UV ≳ -20 mag) とその直接の近傍だけでは、必要な電離領域を生み出せないことが多く、他の低輝度源がバブルの carving に寄与している可能性を示す。
• Lyα の伝播は過密域で強く強化されるように見え、LAE が初期の大規模な電離バブルの追跡者としての役割を強調する。
• この研究は、最も遠い LAE による再電離時代環境の探査における JWST の多天体分光法とスリットレス分光法の力を示している。

Figure 2: On-sky distribution of spectroscopically confirmed galaxies in the vicinity of $z\gtrsim 5.8$ LAEs identified in JADES NIRSpec observations over GOODS-S. Sources found in the JADES, FRESCO, and MUSE HUDF surveys are respectively shown by hexagons, squares, and circles; larger grey squares