[論文レビュー] Modelling the uv/x-ray cosmic background with CUBA

Francesco Haardt, Piero Madau|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2001

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 110

ひとこと要約

本稿では、膨張する $Ω_\Lambda$ 支配の宇宙論的背景において、放射輸送方程式を解くことで宇宙のUV/X線背景をモデル化する高速な数値コードCUBAを提示する。最新のクェザーや星形成銀河の発光関数、スペクトルエネルギー分布、タイプIIAGNのX線背景合成を組み込み、光子の抜け出し率が0.5を超えると、高赤方偏移の星形成銀河がヘリウムIIのイオン化を顕著に増大させ、IGMの熱的歴史を変化させることを示している。

ABSTRACT

In this paper, I will describe the features of the numerical code CUBA, aimed at the solution of the radiative transfer equation in a cosmological context. CUBA will be soon available for public use at the URL http://pitto.mib.infn.it/~haardt/, allowing for several user-supplied input parameters, such as favourite cosmology, luminosity functions, Type II object evolution, stellar spectra, and many others. I will also present some new results of the UV/X-ray cosmic background as produced by the observed populations of QSOs and star forming galaxies, updating and extending our previous works. The background evolution is complemented with a number of derived quantities such as the ionization and thermal state of the IGM, the HeII opacity, the HI and HeII ionization rates, and the HI, HeII and Compton heating rates.

研究の動機と目的

• 宇宙論的文脈における宇宙UV/X線背景を計算する公開可能で高速なコード（CUBA）の開発。
• クェザーおよび星形成銀河の発光関数に関する最新の観測データを用いて、以前のUV/X線背景モデルを更新すること。
• タイプIIAGNのX線背景への寄与を含め、IGMの加熱およびイオン化に与える影響を評価すること。
• 高赤方偏移の星形成銀河から放出されるライマン限界光子の抜け出し率が、ヘリウムII/水素のイオン化比に与える影響を調査すること。
• 再イオン化およびIGMの熱的進化の文脈において、特に光子抜け出し率のパラメータ空間をスキャンするための柔軟なツールを提供すること。

提案手法

• CUBAは、$\Omega_\Lambda = 0.7$, $\Omega_M = 0.3$, $H_0 = 65\,\text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ を含む宇宙論的パラメータを用いて、膨張宇宙における放射輸送方程式を解く。
• QSO（Boyleらの観測発光関数）および星形成銀河（Madauらの観測発光関数）の発光関数を用い、赤方偏移の進化は解析的フィットに基づく。
• 星のスペクトルエネルギー分布（SED）は、$Z = 0.2\,Z_\odot$, Salpeter IMF, 0.5 Gyrの年齢をもつBruzual & Charlotモデルから抽出する。
• X線背景モデルには、対数正規分布を示す吸収光学密度のタイプIIAGNを含み、吸収スペクトルのモンテカルロシミュレーションを実施する。
• コードは、赤方偏移および波長の関数としての背景のスペシフィック強度、イオン化および加熱率、ヘリウムIIの光学厚さ、IGM温度を計算する。
• 出力には、イオン化率、ヘリウムIIの光学厚さ、ソフトバンドおよびハードバンドのX線数密度に対する解析的フィットが含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる抜け出し率を有する星形成銀河を含めることで、予測されるUV/X線背景およびIGMのイオン化状態にどのような影響が生じるか？
• RQ2 タイプIIAGNはX線背景にどの程度寄与するか？また、IGMのコンプトン加熱に与える影響はいかなるものか？
• RQ3 更新されたクェザー発光関数およびスペクトル傾き（1050 Å未満で $\alpha = 1.8$）は、以前のモデルと比較して、イオン化背景にどのような変化をもたらすか？
• RQ4 赤方偏移に依存する抜け出し率（$f_{\rm esc}$）は、IGMにおけるヘリウムII/水素のイオン化比にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 CUBAは、再イオン化研究における大規模なパラメータ空間（例：$f_{\rm esc}$）の探索に、どの程度効率的に利用可能か？

主な発見

• 赤方偏移 $z > 3$ において $f_{\rm esc} = 0.5$ の星形成銀河を含めると、QSOのみのモデルと比較してヘリウムIIのイオン化率が顕著に増加する。
• 星形成銀河からのよりソフトな星のSEDはヘリウムII/水素のイオン化比を高め、ヘリウムII再イオン化への強い影響を示唆する。
• タイプIIAGNを対数正規分布の吸収光学密度とともに組み込んだX線背景モデルは、観測されたXRBの強度およびソフトバンド・ハードバンドの数密度を再現している。
• XRBからのコンプトン加熱は、特に高赤方偏移において、UV背景からの光電離加熱と同程度の大きさであることが判明した。
• CUBAは、標準PC上でも約90秒で全背景モデルを計算可能であり、$f_{\rm esc}$ などの大規模なパラメータ空間の迅速な探索が可能である。
• コードは、イオン化率、加熱率、ヘリウムIIの光学厚さといった主要な物理量に対する解析的フィットを生成しており、シミュレーションや観測モデル化への利用を容易にする。