[論文レビュー] Late Reheating of the IGM by Quasars: A Radiation Hydrodynamical Simulation of Helium II Reionization

P. Paschos, Michael L. Norman+2 more|ArXiv.org|Nov 13, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、クェーサーによるヘリウムII再電離を放射流体力学的シミュレーションでモデル化し、光電加熱における透過率効果を組み込むことで、IGMの温度およびLyαフォrestの性質を正確に予測する。透過率を考慮した結果、光透過薄近似と比較して平均IGM温度が約1.7倍に上昇することが判明し、He II吸収体は物理的拡張を示す広い線を示している。

ABSTRACT

We study the ionization and thermal evolution of the intergalactic medium during the epoch of \heii reionization by means of radiation hydrodynamical cosmological simulations. We post-process baryonic density fields from a standard optically-thin IGM simulation with a homogeneous galaxy-dominated UV background (UVB) which reionizes \hi and \hei at z=6.5 but does not have any contribution to the ionization of \heii. Quasars with luminosities proportional to the mass of the host halos are then introduced as point sources throughout the 100 Mpc simulation volume consistent with the Pei luminosity function. We evolve the spatial distribution of the \heii ionizing radiation field using a time-implicit variable tensor Eddington factor radiative transfer scheme. Simultaneously, we also solve for the local ionization of \heii to \heii and the associated photoheating of the gas. We find that the percolation of the \heiii regions is essentially complete by z=2.5. When comparing to a self-consistent optically thin simulation we find that in optically thick calculation the gas temperature is higher by a factor of approximately 1.7 at the mean gas density level. We use 300 random lines of sight to compute at $\bar{z} = 2.5 \pm 0.1$ a mean \heii \lya line transmission of $\bar{F} = 0.304 \pm 0.002$. We compare the broadening width of the \hi and \heii \lya lines to the results from the self-consistent optically thin simulation and find a shift by approximately 1.25 km/s of the b-parameter distribution. Estimating the relative broadening width between the two forests shows that the \heii median b-parameter is about 0.8 times the median \hi broadening width. This implies that the \heii absorbers are physically extended consistent with conclusions from observed lines of sight.

研究の動機と目的

• 実際の放射移動を用いて、He II再電離期におけるIGMの熱的およびイオン化進化を調査すること。
• 標準的なシミュレーションでしばしば無視される、He II再電離期における透過率効果が光電加熱率に与える影響を定量化すること。
• 観測と比較して、He II Lyαフォレストの性質（線透過率およびbパラメータの広がり）に注目し、シミュレーション結果を検証すること。
• 後期ヘリウム再電離期におけるIGM温度およびイオン化状態をモデル化する際、光透過薄近似の妥当性を評価すること。

提案手法

• 100 Mpcのボックス内で、バリオン密度場にクェーサー駆動のイオン化放射場を後処理して、宇宙論的放射流体力学的シミュレーションを実行する。
• クェーサーはCDM密度ピークに点源としてモデル化され、ホールマスに比例する発光度とべき乗スペクトル $J(\nu) \propto \nu^{-1.8}$ を持つ。
• 時間陰性の可変テンソル・エディングトン因子放射移動法を用いて、4、8、16 RydにおけるHe IIイオン化放射の空間的分布を計算する。
• 局所的He IIイオン化と関連する光電加熱を同時に解き、全He II断面積近似 $\sigma_{\text{HeII}} \propto (h\nu/h\nu_3)^{-3}$ を用いて透過率効果を含める。
• 300本のランダムな視線方向から合成吸収線スペクトルを生成し、$\bar{z} = 2.5 \pm 0.1$ におけるHe II Lyαフォレストの統計的性質を計算する。
• 光透過厚いおよび薄いシミュレーション間で、H IおよびHe II線のbパラメータ（ドーピラー広がり）を比較し、熱的効果を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 He II光電加熱に透過率を組み込むと、標準的な光透過薄近似と比較して、再電離期におけるIGM温度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 クェーサー駆動のHe II再電離が、平均透過率や線の広がりといったHe II Lyαフォレストの統計的性質にどのような影響を与えるか？
• RQ3 透過率効果が、He II再電離期におけるガス温度と密度の関係をどの程度変化させるか？
• RQ4 H IおよびHe II Lyα線のシミュレートされたbパラメータ値は観測とどのように一致するか？また、これにより吸収体の構造にどのような示唆が得られるか？

主な発見

• He III領域の連結は$z = 2.5$でほぼ完全に完了しており、この赤方偏移ではHe II再電離が主に終了していることが示唆される。
• 透過率効果を組み込むと、光透過薄近似と比較して、平均密度におけるIGM温度が約1.7倍に上昇する。
• $\bar{z} = 2.5 \pm 0.1$における平均He II Lyα線透過率は$\bar{F} = 0.304 \pm 0.002$であり、視線方向間で11%の分散を示す。
• H IおよびHe II線のbパラメータは、透過率効果によりそれぞれ約1.25 km/s上昇し、より高い熱的広がりを示している。
• He II吸収体の中央値bパラメータは、H I吸収体の約0.8倍であり、He II吸収体がH I吸収体よりも物理的に広がっていることを示唆している。
• 本研究では、光透過薄近似がHe II再電離期におけるIGM温度を約2倍に低く見積もっていることが確認され、先行する理論的知見と整合的である。