[論文レビュー] Revisiting the LyC Escape Fraction Crisis: Predictions for z > 6 from Locals

Andreas L. Faisst|arXiv (Cornell University)|May 20, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 15被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、z > 6におけるLyman continuum 逃逸率（f_(esc)）を、局所の高赤方偏移類似銀河を用いて予測する。[OIII]/[OII]比と赤方偏移の進化を組み合わせ、log(M/M⊙) ~ 9.0 の銀河に対して z=6 で f_(esc) = 5.7⁺⁸.³₋₃.₃%、z=9 で f_(esc) = 10.4⁺¹⁵.⁵₋₆.₃% を得る。f_(esc) は星形成質量の減少とともに増加し、平均的な銀河集団が z ~ 6 までに宇宙を再電離可能であることを示す。

ABSTRACT

The intrinsic escape fraction of ionizing Lyman continuum photons (f_(esc)) is crucial to understand whether galaxies are capable of reionizing the neutral hydrogen in the early universe at z>6. Unfortunately, it is not possible to access f_(esc) at z>4 with direct observations and the handful of measurements from low redshift galaxies consistently find f_(esc) 6 by combining the (sparsely populated) relation between [OIII]/[OII] and f_(esc) with the redshift evolution of [OIII]/[OII] as predicted from local high-z analogs selected by their Hα equivalent-width. We find f_(esc) = 5.7^(+8.3)_(−3.3)% at z=6 and f_(esc) = 10.4^(+15.5)_(−6.3)% at z=9 for galaxies with log(M/M⊙) ~ 9.0 (errors given as 1σ). However, there is a negative correlation with stellar mass and we find up to 50% larger f_(esc) per 0.5 dex decrease in stellar mass. The population averaged escape fraction increases according to f_(esc) = f_(esc,0)((1+z)/3)^ α, with f_(esc,0)=2.3±0.05% and α=1.17±0.02 at z > 2 for log(M/M⊙) ~ 9.0. With our empirical prediction of f_(esc) (thus fixing an important previously unknown variable) and further reasonable assumption on clumping factor and the production efficiency of Lyman continuum photons, we conclude that the average population of galaxies is just capable to reionize the universe by z ~ 6.

研究の動機と目的

• 直接測定が不可能な z > 6 における f_(esc) の予測により「LyC 逃逸率のジレンマ」を解決すること。
• 宇宙の再電離をモデル化する上で主要な未知要因である f_(esc) の不確実性を解消すること。
• Hα等価幅を用いた局所の高赤方偏移類似銀河を用い、f_(esc) の赤方偏移依存的進化を推定すること。
• log(M/M⊙) ~ 9.0 の銀河における f_(esc) の星形成質量および赤方偏移依存性を定量すること。
• 平均的な銀河集団が、観測的 f_(esc) の制約を用いて z ~ 6 までに宇宙を再電離可能かどうかを評価すること。

提案手法

• f_(esc) が既知の低赤方偏移銀河で測定済みのものと、[OIII]/[OII]線放出比を経験的に関連付ける。
• 局所の高赤方偏移類似銀河における [OIII]/[OII] の赤方偏移進化を応用し、f_(esc) を z > 6 に外挿する。
• 局所銀河における [OIII]/[OII] と f_(esc) の観測的相関を用いて、高赤方偏移での f_(esc) をモデル化する。
• f_(esc) を赤方偏移と星形成質量の関数として、べき乗則形 f_(esc) = f_(esc,0) × ((1+z)/3)^α でモデル化する。
• クラスタリング要因および電離光子生成効率に関する妥当な仮定を組み込み、再電離可能性を評価する。
• [OIII]/[OII]–f_(esc) 関係および赤方偏移進化からの誤差伝播を用いて、f_(esc) の 1σ 確信区間を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所の類似銀河を用いた場合、log(M/M⊙) ~ 9.0 の銀河について、z = 6 および z = 9 における予測される LyC 逃逸率は何か？
• RQ2 f_(esc) は星形成質量にどのように依存し、質量が 0.5 デカド低下するごとにどの程度のスケーリングが生じるか？
• RQ3 固定された星形成質量における f_(esc) の赤方偏移進化はどのようなものか？ そして、どのようにパラメータ化されるか？
• RQ4 z > 6 の平均的銀河集団は、十分な電離光子を生成して宇宙を再電離可能か？
• RQ5 f_(esc) の不確実性およびクラスタリング要因・光子生成効率に関する仮定の変動が、再電離に関する結論に与える影響は何か？

主な発見

• log(M/M⊙) ~ 9.0 の銀河に対して、z = 6 における予測 f_(esc) は 5.7⁺⁸.³₋₃.₃% である。
• 同様の星形成質量について、z = 9 における予測 f_(esc) は 10.4⁺¹⁵.⁵₋₆.₃% である。
• 星形成質量が 0.5 デカド低下するごとに f_(esc) は最大で 50% 増加し、強い負の質量依存性が示唆される。
• f_(esc) の赤方偏移進化は、f_(esc) = f_(esc,0) × ((1+z)/3)^α に従い、z > 2 で f_(esc,0) = 2.3 ± 0.05% および α = 1.17 ± 0.02 となる。
• 経験的 f_(esc) とクラスタリングおよび電離効率に関する妥当な仮定を組み合わせると、平均的銀河集団は z ~ 6 までに宇宙を再電離可能である。
• 質量および赤方偏移依存性を適切に考慮した場合、集団平均の f_(esc) は再電離予算を満たすのに十分である。