[論文レビュー] Predicting Lyman-alpha escape fractions with a simple observable: Lyman-alpha in emission as an empirically calibrated star formation rate indicator

David Sobral, Jorryt Matthee|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 116被引用数 27

ひとこと要約

本稿では、Lyman-alpha等価幅（EW₀）とLyman-alpha脱出率（f_esc,LYα）を結ぶ単純な経験的補正を提示し、Lyα輝度のみから正確な星形成率（SFR）推定を可能にする。主な結果は f_esc,LYα = 0.0048 × EW₀ ± 0.05 であり、この式により、ダスト補正済みHα測定値と比較した場合、SFRの不確実性が±0.2 dexにまで低減される。

ABSTRACT

Lyman-alpha (Lya) is intrinsically the brightest line emitted from active galaxies. While it originates from many physical processes, for star-forming galaxies the intrinsic Lya luminosity is a direct tracer of the Lyman-continuum (LyC) radiation produced by the most massive O- and early-type B-stars with lifetimes of a few Myrs. As such, Lya luminosity should be an excellent instantaneous star formation rate (SFR) indicator. However, its resonant nature and susceptibility to dust as a rest-frame UV photon makes Lya very hard to interpret due to the uncertain Lya escape fraction, f$_{esc,Lyα}$. Here we explore results from the CALYMHA survey at z=2.2, follow-up of Lya emitters (LAEs) at z=2.2-2.6 and a z~0-0.3 compilation of LAEs to directly measure f$_{esc,Lyα}$ with H-alpha (Ha). We derive a simple empirical relation that robustly retrieves f$_{esc,Lyα}$ as a function of Lya rest-frame EW (EW$_0$): f$_{esc,Lyα}$= 0.0048 EW$_0$[A]$\pm0.05$ and we show that it constrains a well-defined anti-correlation between ionisation efficiency and dust extinction in LAEs. Observed Lya luminosities and EW$_0$ are easy measurable quantities at high redshift, thus making our relation a practical tool to estimate intrinsic Lya and LyC luminosities under well controlled and simple assumptions. Our results allow observed Lya luminosities to be used to compute SFRs for LAEs at z~0-2.6 within 0.2 dex of the Ha dust corrected SFRs. We apply our empirical SFR(Lya,EW$_0$) calibration to several sources at z>2.6 to find that star-forming LAEs have SFRs typically ranging from 0.1 to 20 M$_{\odot}$/yr and that our calibration might be even applicable for the most luminous LAEs within the epoch of re-ionisation. Our results imply high ionisation efficiencies and low dust content in LAEs across cosmic time, and will be easily tested with future observations with JWST.

研究の動機と目的

• Lyα輝度の解釈における不確実性を軽減するため、直接観測可能な量であるLyα等価幅（EW₀）を用いてLyman-alpha脱出率（f_esc,LYα）を補正すること。
• SEDフィッティングやイオン化効率（ξ_ion）やダスト減光に関する仮定を必要としない、f_esc,LYαとEW₀の強固な経験的関係を確立すること。
• 宇宙時間にわたるLyman-alpha発光体（LAEs）において、Lyα輝度のみから正確な星形成率（SFR）推定を可能にする。
• 再結合期に関連する可能性のある、z ≥ 2.6の高赤方偏移LAEsへの補正の適用可能性を検証すること。
• 将来的なJWST観測のための検証可能なフレームワークを提供するため、高赤方偏移LAEsにおける直接的なHαおよびHβ測定を想定する。

提案手法

• VLTの多波長観測（プログラム 098.A-0819および099.A-0254）を用い、z ≈ 0–2.6のLAEsにおいて、ダスト補正済みHα輝度を用いてf_esc,LYαを測定した。
• z ≈ 0–0.3のLAEsのコンパイルデータと高赤方偏移LAEサンプルを統合し、f_esc,LYαとLyαの固有フレーム等価幅EW₀の間の線形経験的関係を導出した。
• 観測されたLyα輝度と内在的なLyCトレースSFRを直接比較することで、補正式 f_esc,LYα = 0.0048 × EW₀[Å] ± 0.05 を導出した。
• この補正式を用いて、内在的なLyαおよびLyman-continuum輝度を推定し、最小限の散らばりを示す新しいSFR(Lyα, EW₀)指標を導出した。
• 関係式を用いて、イオン化効率（ξ_ion）およびダスト減光（E(B-V)）の傾向を推定し、LAEsにおいてはタイトなξ_ion–E(B-V)逆相関が存在することを明らかにした。
• SFRがLyαから導かれた値とダスト補正済みHαSFRとを比較することで、補正の堅牢性を検証し、散らばりが±0.2 dexに収まった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SEDフィッティングや複雑な仮定に依存せずに、Lyα等価幅（EW₀）のみでLyman-alpha発光体（LAEs）におけるLyα脱出率（f_esc,LYα）を予測可能か？
• RQ2 f_esc,LYα–EW₀関係の内在的散らばりは何か？また、赤方偏移やEW₀範囲に応じてどのように変化するか？
• RQ3 EW₀に基づくf_esc,LYα補正を施した場合、Lyα輝度を星形成率（SFR）の信頼できる指標としてどの程度利用可能か？
• RQ4 LAEsにおいて、イオン化効率（ξ_ion）とダスト減光（E(B-V)）はどのように相関しているか？また、観測されたf_esc,LYα–EW₀関係で説明可能か？
• RQ5 f_esc,LYα–EW₀補正は、特に再結合期に関連する可能性のあるz ≥ 2.6の最も明るいLAEsに適用可能か？

主な発見

• 強固な線形関係 f_esc,LYα = 0.0048 × EW₀[Å] ± 0.05 が確立され、単純で直接測定可能な観測量からLyα脱出率を直接予測可能となった。
• 補正により、ダスト補正済みHαSFRと比較した場合、SFRの不確実性が±0.2 dexにまで低減され、z ≈ 0–2.6のLAEsにおいてLyαが実用的なSFR指標として利用可能となった。
• 高EW₀のLAEsでは、f_esc,LYα–EW₀関係の散らばりが非常に小さく（約0.1 dex）、ダストが少なく、高イオン化状態の銀河という均質な集団であることが示された。
• 関係式は、高イオン化効率（log₁₀(ξ_ion/Hz erg⁻¹) ≈ 25.4–25.6）と低ダスト減光（E(B-V) ≈ 0.05–0.1）が宇宙時間にわたってLAEsに共通していることを示唆している。
• z ≈ 2–6の星形成中のLAEsの典型的なSFRは0.1～20 M⊙ yr⁻¹の範囲にあり、MUSEで同定されたLAEsのSFRは約1.7 ± 0.3 M⊙ yr⁻¹、より明るいLAEsでは12⁺⁹₋₅ M⊙ yr⁻¹であった。
• SFR >30–40 M⊙ yr⁻¹の領域では、UVベースのSFRと良好な一致を示しており、再結合期に存在する最も明るいLAEsへの応用可能性が示唆されるが、IGM効果の影響により、やや明るい源では不確実性が増す可能性がある。