[論文レビュー] Reducing low signal-to-noise FUSE spectra: confirmation of Lyman continuum escape from Haro 11

E. Leitet, N. Bergvall+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 41

ひとこと要約

本研究では、再処理されたFUSEデータを用いて、局所の星形成銀河Haro 11からのリプマン連続体（LyC）の漏れを確認した。低SN比スペクトルにおける新たな背景除去手法の開発により、以前の矛盾する結果を解消した。著者らは絶対的漏れ率を $ f_{\text{esc}} = 3.3 \pm 0.7\% $ と導出し、Haro 11が理論的モデルが予測する低質量・金属豊富な系と整合的である、唯一の既知の局所銀河としてのLyC漏れを確認した。

ABSTRACT

Galaxies are believed to be the main providers of Lyman continuum (LyC) photons during the early phases of the cosmic reionization. Little is known however, when it comes to escape fractions and the mechanisms behind the leakage. To learn more one may look at local objects, but so far only one low-z galaxy has shown any sign of emitting LyC radiation. With data from the Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE), Bergvall et al. (2006) found an absolute escape fraction of ionizing photons (f_esc) of 4-10% for the blue compact galaxy Haro 11. However, using a newer version of the reduction pipeline on the same data set, Grimes et al. (2007) could not confirm this and derived an upper limit of f_esc \leq 2%. Here, using the last version of the pipeline CalFUSE v3.2, we aim at settling the question if Haro 11 is emitting ionizing radiation to a significant level or not. We also investigate the performance of the reduction pipeline for faint targets such as Haro 11. At these faint flux levels both FUSE and CalFUSE are pushed to their limits, and a detailed analysis was undertaken. We show that non-simultaneous background estimates are insuffient when working with low signal-to-noise data, and a new background model was developed based on a direct fit to the detector response. Applying the new background fit, a significant signal in the LyC emerged in both detector segments covering these wavelengths. Thus, the leakage is confirmed with a flux density of f_900=4.0 *10^{-15} erg/s/cm^2/Å (S/N=4.6), measured on the airglow free regions in the LyC for the night only data. This corresponds to an absolute escape fraction of ionizing photons for Haro 11 of f_esc=3.3 \pm 0.7%. The results were confirmed by investigating the 2D data, the count rates and the residual flux in CII(1036Å).

研究の動機と目的

• Haro 11からのリプマン連続体漏れに関する矛盾する結果を解消すること。以前の研究では $ f_{\text{esc}} \lesssim 2\% $ が報告されたが、初期の研究では $ f_{\text{esc}} = 4-10\% $ であった。
• CalFUSE v3.2が低SN比データ、特にHaro 11のような明るく拡張した源に対してどのように機能するかを評価すること。
• 非同時背景推定に特化した低SN比領域における精度を向上させる新しい背景除去手法の開発と実装。
• 1次元スペクトル、2次元データ、カウントレート、C ii $\lambda$ 1036Å における残差フラックスの複数の独立手法を用いて、FUSEデータ内でのLyC放射の存在を確認すること。

提案手法

• 以前の矛盾する研究で用いられた同一のFUSEデータセットに、CalFUSE v3.2の最終版還元パイプラインを適用した。
• 最適フィルタリング技術を用いて検出器応答に滑らかな表面を直接フィットすることで、非同時背景テンプレート法に代わる新しい背景モデルを構築した。
• 信号抽出の精度、特にオフセンター領域からの信号抽出と1次元抽出における歪み補正の影響に注目したパイプライン性能の詳細な分析を実施した。
• 拡張源抽出モードを用い、正確な重心選択を実施。SiC 1Bは検出器の急勾配背景に位置しているため、修正された背景モデルを適用した。
• 2次元データの点検、カウントレート対リム角度プロット、C ii $\lambda$ 1036Å 吸収線における残差フラックス分析といった複数の診断手法を用いて結果を検証した。
• 光子統計と背景フィットの不確実性を含む誤差予算を用いて、フラックス密度と漏れ率を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低SN比にもかかわらず、Haro 11からのリプマン連続体放射は統計的に有意な信号であるか？
• RQ2 CalFUSE v3.2における標準的な非同時背景除去手法は、Haro 11のような明るく拡張した源に対して信頼できる結果をもたらすか？
• RQ3 検出器に基づく新しい背景モデルは、FUSEスペクトルにおける弱いLyC信号の検出を向上させられるか？
• RQ4 以前の測定値に矛盾するが、Haro 11からのイオン化光子の真の漏れ率は何か？
• RQ5 差分的減光およびスペクトルエネルギー分布の影響は、C ii $\lambda$ 1036Å 線からのLyCフラックス推定にどのように作用するか？

主な発見

• 夜間のみのデータの空気光なし領域で、SN比4.6の信号を伴い、$ f_{900} = 4.0 \times 10^{-15} \, \text{erg} \, \text{s}^{-1} \, \text{cm}^{-2} \, \text{Å}^{-1} $ の有意なLyC信号が検出された。
• Haro 11からのイオン化光子の絶対的漏れ率は、$ f_{\text{esc}} = 3.3 \pm 0.7\% $ と確認され、低質量・金属豊富な系の理論的期待値と整合的である。
• 検出器応答に直接フィットする新しい背景除去モデルは、SiC 2Aでは非常に有効であったが、SiC 1Bでは検出器の背景勾配のためガウス関数による適合が必要であった。
• 2次元データおよびカウントレートプロットにおいてLyC過剰が確認され、カウントレート対リム角度にトレンドが認められなかったため、空気光および散乱光の効果的なフィルタリングが行われた。
• C ii $\lambda$ 1036Å 線における残差フラックス解析から、漏れ率は $ < 2.4\% $ であったが、誤差範囲内で直接測定されたLyC測定値と整合的であった。
• 本研究により、Haro 11は確認されたLyC漏れ率を持つ唯一の局所銀河であることが確認され、高赤方偏移再イオン化銀河の局所的アナログとしての役割を支持するものとなった。