[論文レビュー] New $z > 7$ Lyman-alpha Emitters in EGS: Evidence of an Extended Ionized Structure at $z \sim 7.7$

Intae Jung, Steven L. Finkelstein+22 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、ケック/モスフライト分光計を用いた延長グロースストリップ領域における赤方偏移 z > 7 のLyman-alpha発光体の探索を通じて、8個の新しいLyman-alpha発光体を発見した。これは、z ∼ 7.7 における既知で最大のLyα発光体クラスタを明らかにした。高いLyα検出率と空間的クラスタリングは、重なり合う電離バブルを有する拡張された電離領域が、Lyαの脱出を促進していることを示唆しており、これは部分的に電離された間銀河媒体における放射線輸送効果によるものと考えられる。

ABSTRACT

We perform a ground-based near-infrared spectroscopic survey using the Keck/MOSFIRE spectrograph to target Ly$α$ emission at $7.0$4$σ$ level in eight $z>7$ galaxies, which include additional members of the known $z\sim7.7$ Ly$α$-emitter (LAE) cluster (Tilvi et al. 2020). With the addition of these newly-discovered $z\sim7.7$ LAEs, this is currently the largest measured LAE cluster at $z>7$. The unusually-high Ly$α$ detection rate at $z\sim7.7$ in this field suggests significantly stronger Ly$α$ emission from the clustered LAEs than from the rest of our targets. We estimate the ionized bubble sizes around these LAEs and conclude that the LAEs are clustered within an extended ionized structure created by overlapping ionized bubbles which allow the easier escape of Ly$α$ from galaxies. It is remarkable that the brightest object in the cluster has the lowest measured redshift of the Ly$α$ line, being placed in front of the other LAEs in the line-of-sight direction. This suggests that we are witnessing the enhanced IGM transmission of Ly$α$ from galaxies on the rear side of an ionized area. This could be a consequence of Ly$α$ radiative transfer: Ly$α$ close to the central velocity is substantially scattered by the IGM while Ly$α$ from the rear-side galaxies is significantly redshifted to where it has a clear path.

研究の動機と目的

• 再電離時代の間銀河媒体（IGM）の電離状態を、高赤方偏移におけるLyman-alpha放射を用いて探査すること。
• 特に z > 7 の初期宇宙において、Lyαの可視性と脱出率を調査すること。この段階ではIGMの中性分率が高くなると予想される。
• z ∼ 7.7 におけるLyα発光体のクラスタリングが、大規模な電離領域または「バブル」の存在を示唆するかどうかを特定すること。
• 部分的に電離されたIGMにおける放射線輸送が、Lyα線幅と脱出確率に与える影響を評価すること。
• 電離領域の後方にある銀河からのLyα放射が、共鳴散乱効果によりIGMの減衰を軽減するかどうかを検証すること。

提案手法

• 延長グロースストリップ領域に位置する 7.0 < z < 8.2 の 61 個の銀河を対象に、ケック/モスフライトを用いた地上ベースの近赤外分光観測調査を実施した。
• 宇宙アセンブリ近赤外深宇宙外銀河レガシーサーベイ（CANEDELS）領域内に、約 10′ × 10′ の有効スカイ領域をカバーした。
• 4σ以上の有意水準を満たすLyα発光線を用いて、確認済みの高赤方偏移Lyα発光体を同定した。
• 星族からの電離光子生成率を仮定し、個々のLyα発光体のLyα光度と赤方偏移から、周囲の電離バブルのサイズを推定した。
• Lyα発光体の空間的クラスタリングを分析し、重なり合う電離バブルを通じて大規模な電離構造の存在を推定した。
• スペクトルエネルギー分布（SED）フィッティングと光度赤方偏移を用いて、分光赤方偏移の妥当性を検証し、低赤方偏移の混入物を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密度の高い高赤方偏移銀河集団において、z ∼ 7.7 でのLyα検出率は、ランダムサンプリングの予想を上回るか？
• RQ2 z ∼ 7.7 におけるLyα発光体のクラスタリングは、重なり合う電離バブルを有する大規模な電離領域の存在によって説明可能か？
• RQ3 クラスタメンバーのLyα線幅および赤方偏移分布は、放射線輸送効果による透過の増加をどのように示唆するか？
• RQ4 最も明るいクラスタメンバーは、観測された赤方偏移が最も低く、視線方向にクラスタの後方にあると推定され、電離領域を通過するLyα放射線輸送と整合的であるか？
• RQ5 電離バブルの重なりとIGM透過率は、z > 7 における観測されたLyα光度関数にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 4σ以上の有意水準で、z > 7 に8個の新しいLyα発光体が検出され、この領域におけるz ∼ 7.7 の確認済みLyα発光体の合計数は13に増加し、z > 7 で既知最大のLyα発光体クラスタを形成した。
• z ∼ 7.7 におけるLyα検出率は、他の領域と比較して顕著に高く、大規模な電離構造によるLyα可視性の向上が原因である可能性が示唆された。
• Lyα発光体の空間的クラスタリングは、重なり合う電離バブルを持つ拡張された電離領域に存在していることを示し、銀河からのLyα脱出が容易になっていると考えられる。
• 最も明るいクラスタメンバーは、観測された赤方偏移が最も低く、視線方向にクラスタの後方にあると推定され、電離領域内を通過するLyα放射線輸送と整合的である。
• 後方の銀河からのLyα放射は、IGMにおける低透過率窓にシフトされ、共鳴散乱が減少し、ソース上発光に比べて高い透過率を示した。
• Lyα光度から推定された電離バブルのサイズは、約10–20 Mpcスケールの電離バブルを有する領域にクラスタが埋め込まれていることを示しており、大規模な電離構造と整合的である。