[論文レビュー] New Population Synthesis Models of the Cosmic UV Background

Francesco Haardt, Piero Madau|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2011

Atmospheric Ozone and Climate被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、不連続で膨張する銀河間物質（IGM）を考慮した改良された放射移動コード（CUBA）を用いて、宇宙のUV背景の更新された集団合成モデルを提示する。『最小限の宇宙再電離モデル』を導入し、電離放射の脱出率を赤方偏移に依存させる（z=3で1%、z=8.5で50%）、C_IGM=3の塊状要因、および無視できる量の第III星族寄与を想定し、WMAP観測と一致するτ_e=0.085のテイラー光学的厚さを達成し、フラックス減衰データからの水素電離率を正確に再現する。

ABSTRACT

We present improved synthesis models of the evolving spectrum of the UV/X-ray diffuse background, updating and extending our previous results. A "minimal cosmic reionization model" is presented in which the galaxy UV emissivity traces recent determinations of the cosmic history of star formation, the luminosity-weighted escape fraction of hydrogen-ionizing radiation increases rapidly with redshift, from 1% at z=3 to 50% at z=8.5, the clumping factor of the intergalactic medium is C=3, and Population III stars make a negligible contribution to the metagalactic flux. The model provides a good fit to the hydrogen-ionization rates inferred from flux decrement measurements, and yields an optical depth to Thomson scattering, tau_e=0.085, that is in agreement with WMAP results.

研究の動機と目的

• 時間的変化、赤方偏移、および有効光学的厚さτ̄による吸収を考慮した、単色強度J_νの宇宙論的放射移動方程式（1）を解くことにより、変化する宇宙UV/X線背景スペクトルの自己一貫したモデルを構築すること。
• Lyα森林のフラックス減衰から得られる水素電離率とWMAPからのテイラー光学的厚さτ_eの観測的制約を、IGMの電離状態と一致させること。
• 宇宙時間にわたるメタギャラクティック電離放射場へのクェーサーと星形成銀河の寄与の相対的寄与を特定すること。
• 赤方偏移にわたるLyα森林、ダムプド・Lyα、およびスーパー・ライマン限界系のための吸収体の密度分布関数f(N_HI,z)のパラメータ化を改善すること。
• カルツェッティの減光法を用いたダスト補正付きの光度関数と、実験的星形成歴を用いて、クェーサーと銀河の発光関数を更新すること。

提案手法

• 時間発展、赤方偏移、および有効光学的厚さτ̄による吸収を組み込んだ、単色強度J_νの宇宙論的放射移動方程式（1）を解く。
• 2 < z < 5の赤方偏移範囲で観測と一致させるために、10^17.5 < N_HI < 10^19 cm⁻²の範囲で赤方偏移に依存する勾配を持つ区分的累乗法則による吸収体分布f(N_HI,z)のパラメータ化を実装する。
• 破れた累乗法則スペクトルエネルギー分布（SED）（1300 Å未満でν^−0.44、5000 Å未満でν^−1.57）を用いた、赤方偏移に依存するクェーサー発光関数（式4）を導入する。
• 遠紫外光度関数（シェクター適合）を用いて、ダスト補正をカールツェッティ則を用いて行い、GALEVの集団合成モデルと照合することで、銀河のLyC発光関数を計算する。
• CUBAコード内で反復的に放射移動方程式を解き、背景強度が吸収体の電離状態に依存し、その電離状態が背景フラックスに依存することを考慮し、再結合放射率とHeII吸収率を含む。
• HI、HeI、HeIIの詳細な原子再結合過程と、Lyα、2光子、バルマー線を含む発光線をモデル化し、IGM内での電離光子の再処理を記述する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された星形成歴と電離率を踏まえて、異なる赤方偏移におけるクェーサーと星形成銀河が宇宙UV背景に与える寄与は何か？
• RQ2 z=3で1%、z=8.5で50%の赤方偏移に依存する電離放射の脱出率が、予測される電離率とテイラー散乱への光学的厚さに与える影響は何か？
• RQ3 現実的な密度分布関数f(N_HI,z)を持つ不連続IGMは、フラックス減衰測定からの観測された水素電離率を再現できるか？
• RQ4 完全モデルから得られるテイラー光学的厚さτ_eは何か？そして、WMAPの制約（z_reion ≈ 11）と一致するか？
• RQ5 新しいモデルにおける、HIおよびHeII吸収によるライマン系列吸収と吸収断の、赤方偏移に伴う時間的変化は何か？

主な発見

• モデルは電子散乱に対するテイラー光学的厚さτ_e = 0.085を予測し、WMAP測定値τ_e = 0.089 ± 0.010と非常に良好に一致する。
• クェーサーと銀河を含む完全モデルは、2 < z < 6の赤方偏移範囲でLyα森林のフラックス減衰測定から得られる水素電離率をよく再現する。
• 以前のHaardt & Madau（1996）モデルと比較して、1 Rydおよびz=3におけるUVフラックスが最大3倍まで低下する。これは、吸収および再処理のより良い取り扱いによるものである。
• モデルは、IGMの光学的厚さが増加するにつれて深くなる、HIおよびHeIIライマン系列吸収によるより顕著な歯型モードを示す。
• 完全モデルでは、銀河からの発光スペクトルがややソフトで、固定されたHI吸収があるため、クェーサーのみのケースと比較してHeIIライマン系列吸収トロフがはるかに深くなる。
• 宇宙論的HII領域はz ≈ 7.5で重なり合い、再電離の開始がz ≈ 8–10に一致する予測が得られる。