[論文レビュー] Properties of QSO Metal Line Absorption Systems at High Redshifts: Nature and Evolution of the Absorbers and the Ionizing Radiation Background

A. Boksenberg, W. L. W. Sargent+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2003

Silicon and Solar Cell Technologies参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 1.6 ≤ z ≤ 4.4 の 188 系統における 908 個の C iv 吸収成分を Keck HIRES 分光法を用いて分析し、高赤方偏移吸収体の電離状態、金属量、および進化を調査した。C iv 吸収体は主に光電離によって支配されており、z < 2.65 では QSO が電離を支配し、z > 3.4 では銀河が顕著に寄与しており、電離放射場を説明するには標準的でない星族が必要であることが示された。

ABSTRACT

In Keck HIRES spectra of 9 QSOs we identify a sample of 908 CIV absorber components in 188 systems outside the Lyman forest in the redshift range 1.6 &lt; z &lt; 4.4, with related lines of SiIV, CII, SiII and NV. The properties of the CIV absorbers are almost constant with z. We find a mild increase in Omega(CIV) with decreasing z with a mean = (3.8+/-0.7)*10^(-8) (spatially flat LCDM cosmology and h = 0.71). Using Omega(b) from the CMB and ionization fractions from our data we obtain [C/H]_(z = 4.0) &gt;/= -3.11(+0.14/-0.19) and [C/H]_(z = 2.1) &gt;/= -2.64(+0.15/-0.22), suggesting a rise by about a factor 3. Relating Omega(H) more directly to regions containing the absorbers our values become &gt;~ -2.2 and &gt;~ -2.0, respectively. CIV components exhibit strong clustering at Delta(v) &lt; 300 km/s but there is no clustering on any scale between systems. We argue that for our sample the CIV clustering is entirely due to the peculiar velocities of gas present in the outer extensions of galaxies. We find no change with z in the median column density ratio SiIV/CIV, contrary to previous observations; other ionic ratios vary continuously with redshift. We show that these are only partial indicators of ionization state and remedy this by use of specific pairs of ratios. We demonstrate that the majority of absorbers are photoionized and find that at z &lt; 2.65 QSOs dominate the ionization whereas at z &gt; 3.4 an additional, dominant contribution from galaxies with specific spectral characteristics and high radiative escape fraction in the range 1-4 Ryd is required. These results also indicate that [Si/C] = 0.0-0.4 fits the data well. We conclude that the heavy element absorbers at z &gt; 3.4 are located close to galaxies and irradiated dominantly by them, consistent with our independent conclusion from clustering properties.

研究の動機と目的

• 高分解能分光法を用いて、高赤方偏移 C iv 吸収体の電離状態と金属量を特定すること。
• z ≈ 2–4 の領域における QSO と銀河が宇宙電離放射背景に与える寄与を評価すること。
• 特定の比の組み合わせを電離状態の指標として用いることで、イオン濃度比の不一致を解消すること。
• 標準的星族合成モデルが、観測データを説明するために必要な電離スペクトルを再現できるかどうかを検証すること。
• C iv 吸収体のクラスタリング特性を調査し、銀河との物理的関連性を推定すること。

提案手法

• Keck 真空望遠鏡で 9 個の QSO の高分解能 HIRES 分光法を取得し、C iv、Si iv、C ii、Si ii、N v の吸収成分を検出した。
• ボイティグプロファイルをフィッティングして、各成分の吸収断面積とドッパー幅（b）を測定した。
• イオン濃度比（例：Si iv/C iv、Si ii/C ii）を計算し、電離状態の診断に用い、光電離モデルから導かれた電離分率を補正した。
• Cloudy 光電離モデルを用いて電離構造をシミュレートし、予測されたイオン比と観測値を比較した。
• QSO および銀河のスペクトルエネルギー分布を用いて、メタギャラクティック電離背景をモデル化した。これには、発光効率とスペクトル形状が異なる局所星族の寄与を含めた。
• 観測されたイオン比とモデル予測を一致させることで、高赤方偏移における銀河の必要最小透過率とスペクトル的特徴を制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 2–4 の C iv 吸収体の電離の主因は何か。また、赤方偏移とともにどのように変化するか。
• RQ2 観測されたイオン濃度比は、標準的 QSO および星のスペクトルによる光電離と整合しているか。それとも、非標準的電離源を要するか。
• RQ3 吸収ガスの金属量は何か。また、赤方偏移とともにどのように変化するか。
• RQ4 C iv 吸収体は大スケールでクラスタリングを示すか。これにより銀河との物理的関連性に何が示唆されるか。
• RQ5 標準的星族合成モデルは、観測された吸収体の電離状態を説明するために必要なスペクトルエネルギー分布を再現できるか。

主な発見

• 共動 C iv 質量密度は ⟨Ω_C iv⟩ = (3.8 ± 0.7) × 10⁻⁸ であり、赤方偏移が低下するに従いやや増加する傾向を示した。
• 炭素の質量関係は z ≈ 4.0 から z ≈ 2.1 にかけて約 3 倍に増加し、z ≈ 4.0 で [C/H] ≥ -3.11⁺⁰.¹⁴₋₀.¹⁹、z ≈ 2.1 で [C/H] ≥ -2.64⁺⁰.¹⁵₋₀.²² であった。
• C iv 吸収体成分は Δv ≤ 300 km s⁻¹ の範囲で強くクラスタリングを示し、銀河の噴出流または拡張したハローと関連している可能性がある。
• システム間には顕著なクラスタリングは観測されず、大規模構造がクラスタリングの主因であるとは考えにくい。
• z ≈ 3 付近で Si iv/C iv 比に急激な変化は認められず、イオン比は赤方偏移とともに連続的に変化している。
• z ≈ 2.65 から z ≈ 3.4 の間で電離特性の遷移が見られ、大きな散らばりを示しており、電離源の変化を示唆している。
• z > 3.4 では、1–4 ライドの波長域で高い放射透過率を持つ銀河が、電離状態を説明するために必要であり、若く金属量が少ない星族が支配的である可能性を示唆している。
• 観測された [Si/C] ≈ 0.0–0.4 は、太陽系またはわずかに金属量が高めの Si/C 濃度を持つモデルにうまくフィットした。
• 標準的星族合成モデルは、必要な電離スペクトルを再現できず、非標準的または進化した星族の存在を示唆している。