[論文レビュー] JADES: The emergence and evolution of Ly$α$ emission and constraints on the IGM neutral fraction

Gareth C. Jones, Andrew J. Bunker+33 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この研究は GOODS-S の JADES 調査の JWST/NIRSpec R100 スペクトルを用いて z>5.6 の UV-暗い銀河で Lyα を検出し、Lyα 分布の進化と z~6-7 周辺の IGM 中性分率を制約します。

ABSTRACT

The rest-frame UV recombination emission line Ly$α$ can be powered by ionising photons from young massive stars in star forming galaxies, but its ability to be resonantly scattered by neutral gas complicates its interpretation. For reionization era galaxies, a neutral intergalactic medium (IGM) will scatter Ly$α$ from the line of sight, making Ly$α$ a useful probe of the neutral fraction evolution. Here, we explore Ly$α$ in JWST/NIRSpec spectra from the ongoing JADES programme, which targets hundreds of galaxies in the well-studied GOODS-S and GOODS-N fields. These sources are UV-faint ($-20.4< m M_{ m UV}<-16.4$), and thus represent a poorly-explored class of galaxies. The low spectral resolution ($R\sim100$) spectra of a subset of 84 galaxies in GOODS-S with $z_{spec}>5.6$ (as derived with optical lines) are fit with line and continuum models, in order to search for significant line emission. Through exploration of the R100 data, we find evidence for Ly$α$ in 17 sources. This sample allows us to place observational constraints on the fraction of galaxies with Ly$α$ emission in the redshift range $5.6

研究の動機と目的

• UV-faint な銀河の Lyα 発光を z>5.6 で調べ、再電離時代を理解する。
• Lyα 分数が z~6 から z~7 にどのように進化するかを定量化し、それを IGM 中性分率と関連づける。
• 低分解能 JWST/NIRSpec データに合わせた堅牢な Lyα+連続体フィッティング手法を開発する。
• X_Lyα および X_HI に関する偏りのない推定を可能にするため、Lyα 検出の完全性を評価する。

提案手法

• 低分解能 R100 スペクトルに対して Lyα 零細胞+連続体の二成分モデルを適合させ、連続体のみのモデルと比較する。
• Lyα ブレークを Heaviside 関数でモデル化し、Lyα を原子系の等価幅(REW)パラメータで表す。
• 高分解能のモデルスペクトルを機器のライン広がり関数(LSF)で卷き、R100 グリッドへ再ビニングしてデータと比較する。
• カイ二乗基準を用いた検出判断により Lyα 検出を推定し、検出されない場合には 3σ の上限を導出する。
• ζβ と F_R パラメータ空間に渡るモックスペクトルを用いて Lyα の完全性を評価し、測定された Lyα 分数を補正する。
• R100 の Lyα 測定を高分解能の R1000 データと比較して一貫性を検証する。

Figure 1: Demonstration of how Ly $\alpha$ break and emission for a source at $z=7$ are affected by the low resolving power of our observations. The top panel shows how a step function (blue line) is affected by the resolving power on a high-resolution ( $\Delta\lambda=0.001\,\mu$ m) spectral grid (

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JWST/JADES によって z>5.6 の UV-faint 銀河における Lyα 発光の普遍性はどの程度か。
• RQ2 Lyα 分数は z~6 から z~7 でどのように進化し、z~7 における IGM 中性分率 (X_HI) に何を意味するか。
• RQ3 このサンプルにおける Lyα rest-frame 等価幅と UV 等級 (M_UV) の相関はあるか。
• RQ4 R100 データの Lyα 検出の完全性はどの程度で、X_Lyα および X_HI の制約にどのように影響するか。

主な発見

• R100 データで z>5.6 の銀河 84 宇のうち Lyα は 17 宇で検出された。
• 研究対象サンプル内で z=6 から z=7 へ Lyα 分数が減少している。
• Lyα 等価幅と UV 等級 (M_UV) の正の相関が見られ、他のサンプルと整合している。
• 結果は z~7 における IGM 中性分率を X_HI ~ 0.5–0.9 の範囲と示し、前研究と一致している。
• 完全性解析は大きな REW 値ほど検出可能性が高いことを示し、平均完全性は： C_25Å=0.33、C_50Å=0.60、C_75Å=0.74。

Figure 2: Results of fitting a line + continuum model to observed JADES R100 data, for sources detected in Ly $\alpha$ emission (denoted by ‘L+C FIT’). In each top panel, we show the observed spectrum (purple line) with an associated $1\sigma$ error (shaded region). The best-fit model, which include