[論文レビュー] The ALMA REBELS Survey: Efficient Ly$α$ Transmission of UV-Bright z$\simeq$7 Galaxies from Large Velocity Offsets and Broad Line Widths

Ryan Endsley, Daniel P. Stark+20 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、REBELS調査のALMA [CII]赤方偏移とMMT/Binospec分光法を用いて、UVが明るいz≈7銀河におけるLyα発光を調査した。広がった赤方偏移したLyαプロファイルは、大きなドップラー速度オフセットと高い動的質量に起因し、中性IGMを効率的に通過可能にし、高濃度の中性体積分率が予想される再イオン化時代の銀河が強くLyαを発光する理由を説明する。

ABSTRACT

Recent work has shown that UV-luminous reionization-era galaxies often exhibit strong Lyman-alpha emission despite being situated at redshifts where the IGM is thought to be substantially neutral. It has been argued that this enhanced Ly$α$ transmission reflects the presence of massive galaxies in overdense regions which power large ionized bubbles. An alternative explanation is that massive galaxies shift more of their Ly$α$ profile to large velocities (relative to the systemic redshift) where the IGM damping wing absorption is reduced. Such a mass-dependent trend is seen at lower redshifts, but whether one exists at $z\sim7$ remains unclear owing to the small number of existing systemic redshift measurements in the reionization era. This is now changing with the emergence of [CII]-based redshifts from ALMA. Here we report MMT/Binospec Ly$α$ spectroscopy of eight UV-bright ($\mathrm{M_{UV}}^{}\sim-22$) galaxies at $z\simeq7$ selected from the ALMA REBELS survey. We detect Ly$α$ in 4 of 8 galaxies and use the [CII] systemic redshifts to investigate the Ly$α$ velocity profiles. The Ly$α$ lines are significantly redshifted from systemic (average velocity offset=223 km/s) and broad (FWHM$\approx$300$-$650 km/s), with two sources showing emission extending to $\approx$750 km/s. We find that the broadest Ly$α$ profiles are associated with the largest [CII] line widths, suggesting a potential link between the Ly$α$ FWHM and the dynamical mass. Since Ly$α$ photons at high velocities transmit efficiently through the $z=7$ IGM, our data suggest that velocity profiles play a significant role in boosting the Ly$α$ visibility of the most UV-luminous reionization-era galaxies.

研究の動機と目的

• z≈7のUVが明るい銀河が、この赤方偏移で予想される中性IGMの存在にもかかわらず強力なLyα発光を示す理由を理解すること。
• Lyα発光に大きなドップラー速度オフセットと広いライン幅がある場合、中性銀河間媒体（IGM）を通過する透過率が向上するかどうかを調査すること。
• 動的質量（[CII]ライン幅から推定）とLyαプロファイルの広がりや速度オフセットとの相関関係があるという仮説を検証すること。
• 運動論的性質が再イオン化時代の銀河におけるLyα可視性をどのように向上させるかを評価すること。
• 多波長のALMAとMMTデータを用いて、高赤方偏移で質量の大きな銀河におけるLyα脱出メカニズムに実証的制約を与えること。

提案手法

• ALMA REBELS調査から選ばれた8つのUVが明るい（M_UV ≈ -22）z≈7銀河に対して、MMT/Binospec分光法を実施した。
• ALMA [CII] 158 μmラインの赤方偏移を用いて、システム的赤方偏移を決定し、Lyαのドップラー速度プロファイルを補正した。
• Lyαライン幅（FWHM）とシステム的赤方偏移からの速度オフセットを測定し、プロファイルの形状を評価した。
• [CII]ライン幅を動的質量および運動論的活動の代理指標として用い、Lyα FWHMおよび速度オフセットと相関を分析した。
• 理論的ダムピングウェッジ吸収モデルと観測されたLyαプロファイルを比較することで、IGM透過率の効率を評価した。
• 速度オフセットおよびライン幅のトレンドがLyα可視性に与える有意性を統計的解析により評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UVが明るいz≈7銀河は、中性IGMを効率的に通過させるために、Lyα発光に大きなドップラー速度オフセットを示すか？
• RQ2 Lyαライン幅（FWHM）と[CII]ライン幅の間に相関があるか。これは動的質量または運動論的活動との関連を示唆するか？
• RQ3 広がった赤方偏移したLyαプロファイルは、z≈7の非常に中性なIGM環境において、強いLyα発光が観測される理由をどの程度説明できるか？
• RQ4 z≈7銀河におけるLyα発光の運動論的性質は、低赤方偏移系と比較してどのように異なるか。これは再イオン化時代の銀河進化に何を示唆するか？
• RQ5 速度オフセットおよびライン幅拡張は、再イオン化時代の銀河におけるIGMダムピングウェッジ吸収を克服するために果たす役割は何か？

主な発見

• MMT/Binospecで観測された8つのUVが明るいz≈7銀河のうち、4つでLyα発光が検出された。
• 検出された源のLyαラインは、システム的赤方偏移から顕著に赤方偏移しており、平均して223 km/sの速度オフセットを示した。
• Lyαラインは広がったプロファイルを示し、全波幅半値（FWHM）は300〜650 km/sの範囲にあり、2つの源では約750 km/sにまで達した。
• Lyα FWHMと[CII]ライン幅の間に強い相関が確認され、動的質量および内部運動論的性質と関連している可能性を示唆した。
• 広がった赤方偏移したLyαプロファイルは、高速度の光子がダムピングウェッジ吸収を低減するため、中性IGMを効率的に通過するものと一致した。
• これらの運動論的性質が、周囲の中性媒体が存在するにもかかわらず、再イオン化時代の最もUVが明るい銀河でLyαが強力に可視化される理由を説明していると考えられる。