[論文レビュー] Reconstructing the redshift evolution of escaped ionizing flux from early galaxies with Planck and HST observations

Layne C. Price, Hy Trac+1 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 16被引用数 18

ひとこと要約

本研究は、Planck 2015および2016年のCMBデータ、HSTの銀河観測、BAO制約を用いて、初期銀河からの電離光子の脱出率（$f_{\mathrm{esc}}$）と光子生成レート（$\dot{n}_{\gamma}$）の赤方偏移における時間的変化を再構築した。$f_{\mathrm{esc}}(z)$には強い赤方偏移依存性が見られ、$z=8$では$f_{\mathrm{esc}} \lesssim 0.5$、パワー則的勾配$\beta \gtrsim 2.0$である。一方、モデルに依存しない$\dot{n}_{\gamma}(z)$の推定では、Planck 2016データ下で$z=9$での光子生成が抑制され、再電離期がより鋭くなる傾向が示唆された。

ABSTRACT

While galaxies at $6 \lesssim z \lesssim 10$ are believed to dominate the epoch of cosmic reionization, the escape fraction of ionizing flux $f_\mathrm{esc}$ and the photon production rate $\dot n_γ$ from these galaxies must vary with redshift to simultaneously match CMB and low-redshift observations. We constrain $f_\mathrm{esc}(z)$ and $\dot n_γ(z)$ with Planck 2015 measurements of the Thomson optical depth $τ$, recent low multipole E-mode polarization measurements from Planck 2016, SDSS BAO data, and $3 \lesssim z \lesssim 10$ galaxy observations. We compare different galaxy luminosity functions that are calibrated to HST observations, using both parametric and non-parametric statistical methods that marginalize over the effective clumping factor $C_\mathrm{HII}$, the LyC production efficiency $ξ_\mathrm{ion}$, and the time-evolution of the UV limiting magnitude $dM_\mathrm{SF}/dz$. Using a power-law model, we find $f_\mathrm{esc} \lesssim 0.5$ at $z=8$ with slope $β\gtrsim 2.0$ at $68\%$ confidence with little dependence on the galaxy luminosity function or data, although there is non-negligible probability for no redshift evolution $β\sim 0$ or small escape fraction $f_\mathrm{esc} \sim 10^{-2}$. A non-parametric form for $f_\mathrm{esc}(z)$ evolves significantly with redshift, yielding $f_\mathrm{esc} \sim 0.2, 0.3, 0.6$ at $z=6,9,12$, respectively. However, a model-independent reconstruction of $\dot n_γ(z)$ predicts a suppressed escaped photon production rate at $z=9$ for the latest Planck data compared to the other models, implying a quicker period of reionization. We find evidence for redshift evolution in the limiting magnitude of the galaxy luminosity function for empirical models of the galaxy luminosity function.

研究の動機と目的

• 再電離期における初期銀河からの脱出率$f_{\mathrm{esc}}(z)$および電離光子生成レート$\dot{n}_{\gamma}(z)$の赤方偏移的変化を制約すること。
• CMBの光学的厚さ測定値と低赤方偏移銀河観測値を整合させるために、$f_{\mathrm{esc}}(z)$が赤方偏移に依存して変化する必要があるかどうかを検証すること。
• 銀河の明るさ関数（GLF）の仮定、限界明るさの赤方偏移依存性、およびLyC生成効率$\xi_{\mathrm{ion}}$が$f_{\mathrm{esc}}(z)$および$\dot{n}_{\gamma}(z)$に与える影響を評価すること。
• パラメトリックおよびノンパラメトリックな再構築手法を用いて$f_{\mathrm{esc}}(z)$および$\dot{n}_{\gamma}(z)$を比較し、モデルの独立性と妥当性を評価すること。
• 観測制約に一致させるために、UV明るさ関数の微光端明るさ限界$M_{\mathrm{SF}}$が赤方偏移に依存して変化する必要があるかどうかを同定すること。

提案手法

• 電離光子の総脱出量に敏感な、モデルに依存しない$\dot{n}_{\gamma}(z)$の制約として、Thomson光学的厚さ$\tau$のPlanck 2015および2016年のCMB測定値を主な制約条件として用いる。
• UV明るさと電離光子生成を結びつけるために、HSTに基づく銀河明るさ関数（GLF）を用い、ScorchおよびBouwensら（2015b）のモデルを含む。
• パラメトリック（パワー則的）およびノンパラメトリックな統計的手法を用いて、$f_{\mathrm{esc}}(z)$および$\dot{n}_{\gamma}(z)$を再構築し、$C_{\mathrm{HII}}$、$\xi_{\mathrm{ion}}$、$dM_{\mathrm{SF}}/dz$などの不確実パラメータを周辺化する。
• 宇宙論的パラメータのデゲネラシーを解消し、再電離歴史の制約を強化するために、SDSSのバリオンアコースティック振動（BAO）データを組み込む。
• $\xi_{\mathrm{ion}}$にログ・プライアを、$f_{\mathrm{esc}}(z)$に一様プライアを用いたベイズ推論により、結果が事前分布の仮定にどれほど依存するかを評価する。
• 関数形の仮定によるバイアスを避けるために、$\dot{n}_{\gamma}(z)$のモデルに依存しない再構築を実施し、パラメトリックモデルと比較可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期銀河からの脱出率$f_{\mathrm{esc}}(z)$が、CMBの光学的厚さ測定値と低赤方偏移銀河観測値を整合させるために、赤方偏移に依存して変化する必要があるか？
• RQ2 銀河明るさ関数（GLF）の選択が、推定された$f_{\mathrm{esc}}(z)$および$\dot{n}_{\gamma}(z)$に与える影響はいかほどか？
• RQ3 $f_{\mathrm{esc}}(z)$にパワー則的またはノンパラメトリックな形を仮定した場合、再構築された電離光子生成レートにどのような影響があるか？
• RQ4 UV明るさ関数の微光端明るさ限界$M_{\mathrm{SF}}$に赤方偏移依存性が見られる証拠はあるか？
• RQ5 異なるCMBデータセット（Planck 2015対2016 lowE）が、推定された$\dot{n}_{\gamma}(z)$および必要な$f_{\mathrm{esc}}(z)$に与える影響はいかほどか？

主な発見

• パワー則的モデルによる$f_{\mathrm{esc}}(z)$の再構築では、$z=8$で$f_{\mathrm{esc}} \lesssim 0.5$、68%信頼区間で勾配$\beta \gtrsim 2.0$が得られ、強い赤方偏移依存性が示された。
• ノンパラメトリックな$f_{\mathrm{esc}}(z)$再構築では、それぞれ$z=6, 9, 12$で$f_{\mathrm{esc}} \sim 0.2, 0.3, 0.6$が得られ、再電離期全体にわたる顕著な変化が示された。
• モデルに依存しない$\dot{n}_{\gamma}(z)$再構築では、Planck 2016 lowEデータを用いることで$z=9$での光子生成レートが抑制され、再電離期がより鋭くなっている可能性が示唆された。
• UV GLFの限界明るさ$M_{\mathrm{SF}}$は赤方偏移に伴い変化する必要があり、68%信頼区間で$dM_{\mathrm{SF}}/dz \lesssim -0.05$であると判明し、電離光子の過剰生成を回避するための必要条件となった。
• Planck 2015と2016のデータ間の$\tau$の差異は、$f_{\mathrm{esc}}(z)$の変更よりも$\xi_{\mathrm{ion}}$の調整によってより良く説明できるが、これは事前分布の仮定に依存する。
• パラメトリックおよびノンパラメトリック手法の両方で$\dot{n}_{\gamma}(z)$の制約が一貫しており、再電離歴史を再構築するモデルに依存しない手法の妥当性が裏付けられた。