[論文レビュー] Reionization with star-forming galaxies: insights from the Low-z Lyman Continuum Survey

Maxime Trebitsch, Pratika Dayal+19 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、低赤方偏移におけるLyman Continuum Survey (LzLCS) を用いて、UV傾きとLyC透過率 ($f_{\rm esc}$) の関係を定めた半アナリティカルモデル (Delphi) を校正する。この関係を高赤方偏移銀河に適用することで、観測された再イオン化歴史を再現し、$-16 \lesssim M_{\rm UV} \lesssim -13.5$ の銀河が再イオン化を支配していることが判明。それぞれ $z = 4.5, 6, 8$ における集団平均 $f_{\rm esc} \approx 8\%, 10\%, 20\%$ である。

ABSTRACT

The fraction of ionizing photons escaping from galaxies, $f_{esc}$, is at the same time a crucial parameter in modelling reionization and a very poorly known quantity, especially at high redshift. Recent observations are starting to constrain the values of $f_{esc}$ in low-z star-forming galaxies, but the validity of this comparison remains to be verified. Applying at high-z the empirical relation between $f_{esc}$ and the UV slope trends derived from the Low-z Lyman Continuum Survey, we use the DELPHI semi-analytical galaxy formation model to estimate the global ionizing emissivity of high-z galaxies, which we use to compute the resulting reionization history. We find that both the global ionizing emissivity and reionization history match the observational constraints. Assuming that the low-z correlations hold during the epoch of reionization, we find that galaxies with $-16 \lesssim M_{UV} \lesssim -13.5$ are the main drivers of reionization. We derive a population-averaged $\langle f_{esc} angle \simeq 8\%, 10\%, 20\%$ at z=4.5, 6, 8.

研究の動機と目的

• 低赤方偏移におけるLyC発光銀河が、再イオン化期の高赤方偏移源の代理として有効かどうかを評価すること。
• LzLCSから得られた経験的 $f_{\rm esc}$-$\beta$ 関係を高赤方偏移に外挿可能かどうかを検証し、全宇宙のイオン化放射出度をモデル化すること。
• そのようなモデルが観測された再イオン化歴史および宇宙間媒体のイオン化度に与える制約を再現できるかどうかをテストすること。
• UV絶対等級と透過率に基づいて、再イオン化を支配する主な銀河集団を特定すること。

提案手法

• 高赤方偏移銀河集団をシミュレートするために、Delphi半アナリティカル銀河形成モデルを用いる。
• LzLCSから導出された $f_{\rm esc}$-$\beta$ 関係を用い、銀河のUV傾き ($\beta$) に応じて透過率を割り当てる。
• 全銀河のUV光度と $f_{\rm esc}$ を重み付けして合算することで、全宇宙のイオン化放射出度を計算する。
• 得られた放射出度を用いて、イオン化方程式を解き、再イオン化歴史を計算し、観測的制約と比較する。
• 銀河の絶対等級とハロー質量に応じた寄与を重みづけするために、光度関数およびハロー質量関数を用いる。
• 再イオン化が進行するに従い、低質量ハローにおける光子抑制を考慮し、$f_{\rm esc}$ の赤方偏移に伴う進化を追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低赤方偏移におけるLyC発光銀河で測定された $f_{\rm esc}$-$\beta$ 関係を、再イオン化期の高赤方偏移に信頼性を持って外挿できるか？
• RQ2 再イオン化期における、異なる銀河絶対等級帯の寄与はどのように異なるか？
• RQ3 UV絶対等級に基づくどの銀河集団が $z \gtrsim 4$ で主にLyC放射を供給しているか？
• RQ4 本モデルにおける集団平均 $f_{\rm esc}$ の赤方偏移依存性はどのように変化し、観測的制約と整合するか？
• RQ5 低質量・微弱銀河は、光子抑制が進行する以前に再イオン化の初期段階を支配しているのか、その程度はどの程度か？

主な発見

• LzLCSの $f_{\rm esc}$-$\beta$ 関係を高赤方偏移銀河に適用することで、観測された再イオン化歴史を再現できた。
• 銀河の $-16 \lesssim M_{\rm UV} \lesssim -13.5$ が再イオン化の主な駆動要因であり、すべての赤方偏移で明るい銀河（$M_{\rm UV} < -20$）は二次的であることが判明した。
• 集団平均 $f_{\rm esc}$ は $z \gtrsim 8$ で $\approx 20\%$ から $z \approx 4.5$ で $\approx 8\%$ に減少し、高解像度シミュレーションおよび $z \gtrsim 3$ の観測と整合的である。
• 最も微弱な銀河は最低質量ハローに属し、初期の再イオン化を支配していたが、$z \lesssim 9$ で増大するUV背景により光子抑制を受けて寄与が減少した。
• 本モデルの予測される $f_{\rm esc}$ の進化は、ロスダールら（2018）やトレビーチュら（2021）の放射流体ダイナミクスシミュレーションと定性的に一致しており、定数の違いは除く。
• 低赤方偏移におけるLyC発光銀河が高赤方偏移源の代理として有効であるという主張を支持し、LzLCSが再イオン化モデリングの重要なキャリブレーションツールであることを裏付けた。