[論文レビュー] Lyman Alpha Emitters at Redshift z=5.7

James E. Rhoads, Sangeeta Malhotra|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2001

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 101

ひとこと要約

本論文は、Large Area Lyman Alpha (LALA) 巡天から赤方偏移 z ≈ 5.7 のライマン-α発光体の光度的選別サンプルを提示し、これらの低光度源が中性銀河間媒体 (IGM) の散乱によって歪められず、コンパクトであることを示している。このような発光体の検出は、再イオン化が z > 5.7 までに完了していたことを示唆し、観測された源密度は変化なしモデルの予測をわずかに上回っているため、この時代に継続的な銀河形成が進行していた可能性がある。

ABSTRACT

Lyman alpha galaxies at high redshifts offer a powerful probe of both the formation of galaxies and the reionization of the intergalactic medium. Lyman alpha line emission is an efficient tool for identifying young galaxies at high redshift, because it is strong in systems with young stars and little or no dust-- properties expected in galaxies undergoing their first burst of star-formation. Lyman alpha galaxies also provide a robust test of the reionization epoch that is independent of Gunn-Peterson trough observations in quasar spectra and is better able to distinguish line center optical depths tau=5 from tau=10^5. This is because neutral gas scatters Lyman alpha photons, dramatically ``blurring'' images of Lyman alpha galaxies embedded in a neutral intergalactic medium and rendering them undetectable. We present a photometrically selected sample of z=5.7 Lyman alpha emitters derived from the Large Area Lyman Alpha survey. The presence of these low-luminosity Lyman alpha sources at z=5.7 immediately implies that the reionization redshift was > 5.7. Comparing these objects to our earlier z=4.5 sample, we find that the number of z=5.7 emitters at fixed line luminosity marginally exceeds the no-evolution expectation, but falls well short of published model predictions. The equivalent width distribution is similar at the two redshifts. The large equivalent widths of the Lyman alpha line indicate young galaxies undergoing their first star formation.

研究の動機と目的

• 狭帯域フィルタを用いた光度的測定により、赤方偏移 z ≈ 5.7 の高赤方偏移ライマン-α発光体を特定・特徴づけること。
• グン・ペトロスの谷観測とは独立して、ライマン-α発光体の検出可能性を再イオン化時代のプローブとして用いること。
• 赤方偏移 z ≈ 4.5 から z ≈ 5.7 にかけてのライマン-α発光体の数密度の変化をテストし、銀河形成および再イオン化のタイムラインを制約すること。
• 中性 IGM における共鳴散乱がライマン-α源の検出可能性に与える影響を、形状的および光度的制約を用いて評価すること。

提案手法

• キット・ピークのメイヨー 4m望遠鏡を用い、815 nm および 823 nm に中心を持つカスタムフィルタを用いて、赤方偏移 z ≈ 5.7 のライマン-α発光を標的とした狭帯域スキャンを実施した。
• 合計で約 9.85 時間分の 815 nm フィルタおよび約 9 時間分の 823 nm フィルタのデイタを、ドithered かつスタックされた露光として取得し、深さとカバー範囲を最大化した。
• 広帯域フィルタに対する狭帯域フィルタでの過剰光度に基づき候補者を特定し、等価幅およびコンパクトな形状による確認を実施した。
• 中性 IGM における源の検出可能性を評価するため、共鳴散乱およびストロムゲン球形成のモデル化を実施し、吸収を避けるためにイオン化バブルが約 1.2 Mpc よりも大きくなければならないことを要請した。
• 静止系等価幅および光度の制約を用いて、中性 IGM におけるイオン化放射線の脱出率および源の年齢を計算し、ライマン-α光子が中性 IGM を脱出可能かどうかを評価した。
• z ≈ 5.7 における源の数密度を z ≈ 4.5 におけるものと比較し、変化の有無をテストし、再イオン化の赤方偏移の境界を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 5.7 におけるライマン-α発光体は検出可能か？ その検出可能性は銀河間媒体の状態に何を示唆するか？
• RQ2 z ≈ 5.7 におけるライマン-α発光体の数密度は、変化なしの予測を上回っているか？ これは高赤方偏移における銀河形成に何を示唆するか？
• RQ3 ライマン-α源に形状的拡張が見られないことは、z ≈ 5.7 における中性 IGM を除外できるか？
• RQ4 z ≈ 5.7 発光体の観測された等価幅および光度は、イオン化放射線の脱出率および源の年齢にどのような制約を与えるか？
• RQ5 グン・ペトロスの谷観測と比較して、ライマン-α源の数密度は再イオン化のテストにより頑健であるか？ 特に中程度から極端な光学的厚さを区別できるか？

主な発見

• 赤方偏移 z ≈ 5.7 において、10 個のコンパクトで低光度のライマン-α発光体が特定され、静止系等価幅が 80 Å 以上であった。これは若年で-dust-の少ない星形成群を示唆している。
• 約 1″ 解像度で解像不能なほどコンパクトな形状は、中性 IGM による共鳴散乱が顕著でないことを示し、z ≈ 5.7 における IGM はも既にイオン化済みであると示唆する。
• 固定された線分光光度における z ≈ 5.7 発光体の数密度は、変化なし予測をわずかに上回っており、z ≈ 4.5 から z ≈ 5.7 にかけて源密度がわずかに増加している可能性を示唆している。
• 観測された源密度は、一部の理論的モデルの予測を下回っており、高赤方偏移における星形成シナリオと潜在的な矛盾を示唆している。
• 再イオン化の赤方偏移が z_r > 5.7 に制限される。なぜなら、中性 IGM では共鳴散乱によりライマン-α発光体は検出不能になるが、実際に観測されているためである。
• 解析により、ライマン-α発光体は中性 IGM において光学的厚さ τ ~ 10^4 まで検出可能であることが示されたが、観測された源はそのような状態と整合しない。これにより、イオン化環境であることが確認された。