[論文レビュー] LAGER Ly$\alpha$ Luminosity Function at $z\sim7$, Implications for Reionization

Isak Wold, Sangeeta Malhotra+16 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、4つのLAGER領域からの6.1×10$^6$ Mpc$^3$の調査体積を用いて、$z\sim7$における新しいLy$\alpha$輝度関数を提示している。$z=5.7$からのやや顕著な進化が観測され、$z\sim7$における完全または大部分がイオン化された銀河間媒体（IGM）を支持する。1σ信頼水準で体積平均中性水素分率 $x_{\text{HI}} < 0.33$ である。

ABSTRACT

We present a new measurement of the Ly$\alpha$ luminosity function at redshift $z=6.9$, finding moderate evolution from $z=5.7$ that is consistent with a fully or largely ionized $z\sim7$ intergalactic medium. Our result is based on four fields of the LAGER (Lyman Alpha Galaxies in the Epoch of Reionization) project. Our survey volume of $6.1 imes10^{6}$ Mpc$^{3}$ is double that of the next largest $z\sim 7$ survey. We combine two new LAGER fields (WIDE12 and GAMA15A) with two previously reported LAGER fields (COSMOS and CDFS). In the new fields, we identify $N=95$ new $z=6.9$ Ly$\alpha$ emitters (LAEs); characterize our survey's completeness and reliability; and compute Ly$\alpha$ luminosity functions. The best-fit Schechter luminosity function parameters for all four LAGER fields are in good general agreement. Two fields (COSMOS and WIDE12) show evidence for a bright-end excess above the Schechter function fit. We find that the Ly$\alpha$ luminosity density declines at the same rate as the UV continuum LF from $z=5.7$ to $z=6.9$. This is consistent with an intergalactic medium that was fully ionized as early as redshift $z\sim 7$, or with a volume-averaged neutral hydrogen fraction of $x_{HI} < 0.33$ at $1\sigma$.

研究の動機と目的

• 6.9でのLy$\alpha$輝度関数を、より大きな調査体積と高い完全性を備えて測定すること。
• 5.7から6.9へのLy$\alpha$放射の進化を評価し、銀河間媒体（IGM）のイオン化状態を制約すること。
• 深さと広域をカバーする調査におけるLy$\alpha$発光体（LAE）検出の信頼性と完全性を評価すること。
• 観測された輝度密度の低下が、$z\sim7$で完全にイオン化されたIGMと整合するかどうかを特定すること。

提案手法

• COSMOS、CDFS、WIDE12、GAMA15Aの4つのLAGER領域のデータを統合し、合計で6.1×10$^6$ Mpc$^3$の調査体積を達成した。
• WIDE12およびGAMA15Aの2つの新領域において、深さのあるスリットバンド画像を用いて、$N=95$個の新しい$z=6.9$のLy$\alpha$発光体（LAE）を同定した。
• 詳細な源検出と光度赤方偏移分析を通じて、調査の完全性と信頼性を特徴づけた。
• 観測されたLy$\alpha$輝度関数をSchechter関数にフィットさせ、最良適合パラメータを導出した。
• $z=5.7$から$z=6.9$へのUV連続スペクトル輝度関数との比較を通じて、Ly$\alpha$輝度密度の進化を評価した。
• $z\sim7$における体積平均中性水素分率 $x_{\text{HI}}$ を、輝度密度の進化から制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6.9でのLy$\alpha$輝度関数は5.7から顕著な進化を示すか？ その結果、銀河間媒体のイオン化状態に何を示唆するか？
• RQ2 観測された輝度密度の進化に基づき、$z\sim7$における体積平均中性水素分率 $x_{\text{HI}}$ はどの程度か？
• RQ3 複数の独立した領域でLy$\alpha$輝度関数のパラメータは一貫しているか？ 一部の領域に明るい端の過剰が見られるか？
• RQ4 これらの赤方偏移において、Ly$\alpha$輝度密度の進化はUV連続スペクトル輝度関数の進化とどのように比較されるか？
• RQ5 WIDE12およびGAMA15Aでの新規LAE検出は、高赤方偏移Ly$\alpha$発光度にどの程度制約を強化するか？

主な発見

• 6.9でのLy$\alpha$輝度関数は5.7からのやや顕著な進化を示しており、完全または大部分がイオン化された銀河間媒体（IGM）と整合する。
• 統合されたLAGER領域における最良適合Schechter関数パラメータは、4つの領域すべてで一般的に一致している。
• COSMOSおよびWIDE12の2つの領域では、Schechterフィットよりも明るい端に過剰が観測され、密度の高い領域または選択効果の可能性を示唆している。
• Ly$\alpha$輝度密度の低下率は、$z=5.7$から$z=6.9$にかけてUV連続スペクトル輝度関数と同等の速度で進行しており、類似した進化傾向を示している。
• この輝度密度の進化は、$z\sim7$における体積平均中性水素分率 $x_{\text{HI}} < 0.33$ を1σ信頼水準で示しており、早期の再イオン化を支持する。