[論文レビュー] Optical Depth of the Cosmic Microwave Background and Reionization of the Intergalactic Medium

J. Michael Shull, Aparna Venkatesan|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、WMAP-3が測定したCMB光学的厚さ（τₑ = 0.09 ± 0.03）を用いて、宇宙再電離の時期と起源を制約する。約50%のτₑは、zᵣ ≈ 6.1までの完全にイオン化されたIGM由来であり、残りのτₑ ≤ 0.03はz > 6.1の初期の星とブラックホール由来で、X線による事前イオン化と残留電子によるイオン化効率が制限される。

ABSTRACT

We examine the constraints on the epoch of reionization (redshift z_r) set by recent WMAP-3 observations of tau_e = 0.09 +/- 0.03, the electron-scattering optical depth of the cosmic microwave background (CMB), combined with models of high-redshift galaxy and black hole formation. Standard interpretation begins with the computed optical depth, tau_e = 0.042 +/- 0.003, for a fully ionized medium out to z_r = 6.1 +/- 0.15, including ionized helium, which recombines at z ~ 3. At z > z_r, one must also consider scattering off electrons produced by from early black holes (X-ray pre-ionization) and from residual electrons left from incomplete recombination. Inaccuracies in computing the ionization history, x_e(z) add systematic sources of uncertainty in tau_e. The required scattering at z > z_r can be used to constrain the ionizing contributions of "first light" sources. In high-z galaxies, the star-formation efficiency, the rate of ionizing photon production, and the photon escape fraction are limited to producing no more than Delta-tau_e < 0.03 +/- 0.03. The contribution of minihalo star formation and black-hole X-ray preionization at z = 10-20 are suppressed by factors of 5-10 compared to recent models. Both the CMB optical depth and H I (Ly-alpha) absorption in quasar spectra are consistent with an H~I reionization epoch at z_r ~ 6 providing 50% of the total tau_e at z < z_r, preceded by a partially ionized medium at z ~ 6-20.

研究の動機と目的

• 宇宙間物質（IGM）の再電離歴について、WMAP-3のCMB光学的厚さτₑ = 0.09 ± 0.03を解釈すること。
• z > zᵣにおける初期の大質量星およびX線源からのイオン化光子の寄与を、観測されたτₑに定量すること。
• 高赤方偏移銀河およびブラックホールからのイオン化光子生成および脱出効率を制約すること。
• 不完全な再結合および非平衡イオン化プロセスに起因する系統的不確実性を評価すること。

提案手法

• 標準的な再電離モデルを用いて、zᵣ = 6.1 ± 0.15までの完全にイオン化されたIGMに対する標準的光学的厚さτₑ = 0.042 ± 0.003を計算する。
• 残りのτₑが部分的にイオン化されたIGM内の電子による散乱に起因すると仮定し、z > zᵣにおける残差光学的厚さΔτₑ ≤ 0.03 ± 0.03を導出する。
• Pop III/II星のイオン化光子生成効率（ε*）と脱出率（f_esc）をモデル化し、Δτₑ ≤ 0.03から制約を導出する。
• X線脱出率が約1で、1つの光子あたり12回のイオン化が起こると仮定し、X線効率パラメータε_X = f_b ×（1つのバリオンが吸収したX線光子数）を構築する。
• イオン化歴xₑ(z)を用いて散乱寄与を計算し、不完全な再結合に起因する残留電子を考慮する。
• イオン化率方程式dxe/dz ∝ ε* × (1 + z)³を用い、イオン化効率とτₑの関係を関連づけ、観測されたΔτₑからの制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたCMB光学的厚さτₑ = 0.09 ± 0.03のうち、zᵣ ≈ 6.1までの完全にイオン化されたIGM由来の割合はどれくらいか？
• RQ2 z > zᵣにおける追加の光学的厚さΔτₑ ≤ 0.03 ± 0.03は、どのようなイオン化源に起因するか？また、これは初期星形成効率と光子脱出率にどのような意味を持つか？
• RQ3 初期のブラックホールによるX線による事前イオン化はΔτₑにどの程度寄与できるか？また、星からのUVイオン化と比べてどうか？
• RQ4 不完全な再結合に起因するイオン化歴xₑ(z)の不確実性は、推定されるτₑおよび源の制約にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 X線イオン化効率を考慮した場合、観測されたΔτₑを生じさせるために必要なブラックホール空間密度および降着率の上限はどの程度か？

主な発見

• 観測されたCMB光学的厚さτₑ = 0.09 ± 0.03は、zᵣ = 6.1 ± 0.15までの完全にイオン化されたIGMに起因する約50%（τₑ ≈ 0.042 ± 0.003）を示している。
• 残りのΔτₑ ≤ 0.03 ± 0.03は、z > zᵣにおけるイオン化源由来で、高赤方偏移銀河におけるイオン化効率および光子脱出率が制限される。
• z ≈ 10–20における初期のブラックホールからのX線による事前イオン化は、最近のモデルと比較して5–10倍の要因で抑制されている。これは、必要なΔτₑが低いことによる。
• 不完全な再結合に起因する残留電子の寄与は顕著であるが、推定されるイオン化歴に系統的不確実性をもたらす。
• z ≈ 20からz ≈ 6の間でイオン化分率xₑ,₀ ≈ 0.1のIGMはΔτₑ ≈ 0.018を寄与し、全τₑの無視できない割合を占める。
• X線効率ε_Xの制約から、ブラックホールの空間密度および降着率は、WMAP-1のτₑ = 0.17から以前に推定された値よりもおそらく低いことが示唆される。