[論文レビュー] The Canada-France High-z Quasar Survey: nine new quasars and the luminosity function at redshift 6

Chris J. Willott, P. Delorme+10 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Dec 1, 2009

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、カナダ＝フランス高赤方偏移クェーサー調査（CFHQS）から赤方偏移 z ≈ 6 の新しいクェーサー9個を報告し、SDSSデータと統合することで、z=6におけるきめの細かいクェーサーの明るさ関数を導出する。結果は、先行研究と比較してわずかに低い正規化とより平坦な勾配を示し、M₁₄₅₀ ≈ −25 で折り返し点を示しており、クェーサーのイオン化放射能が再結合を駆動するには20〜100倍も不足していることを示唆し、初期ブラックホール成長の制約と将来の調査予測に寄与する。

ABSTRACT

We present discovery imaging and spectroscopy for nine new z ~ 6 quasars found in the Canada-France High-z Quasar Survey (CFHQS) bringing the total number of CFHQS quasars to 19. By combining the CFHQS with the more luminous SDSS sample we are able to derive the quasar luminosity function from a sample of 40 quasars at redshifts 5.74 < z < 6.42. Our binned luminosity function shows a slightly lower normalisation and flatter slope than found in previous work. The binned data also suggest a break in the luminosity function at M_1450 approx -25. A double power law maximum likelihood fit to the data is consistent with the binned results. The luminosity function is strongly constrained (1 sigma uncertainty < 0.1 dex) over the range -27.5 < M_1450 < -24.7. The best-fit parameters are Phi(M_1450^*) = 1.14 x 10^-8 Mpc^-3 mag^-1, break magnitude M_1450^* = -25.13 and bright end slope beta = -2.81. However the covariance between beta and M_1450^* prevents strong constraints being placed on either parameter. For a break magnitude in the range -26 < M_1450^* < -24 we find -3.8 < beta < -2.3 at 95% confidence. We calculate the z = 6 quasar intergalactic ionizing flux and show it is between 20 and 100 times lower than that necessary for reionization. Finally, we use the luminosity function to predict how many higher redshift quasars may be discovered in future near-IR imaging surveys.

研究の動機と目的

• カナダ＝フランス高赤方偏移クェーサー調査（CFHQS）における深紫外・赤外画像撮影およびスペクトロスコピーを用いて、z≈6 の高赤方偏移クェーサーのサンプルを拡大すること。
• CFHQS と SDSS の両方のサンプルを統合し、合計40個のクェーサー（赤方偏移 5.74 < z < 6.42）を用いて、z=6 におけるクェーサー明るさ関数を導出し、統計的制約を強化すること。
• z=6 におけるクェーサーが国際的ガス媒体のイオン化に果たす寄与を評価し、宇宙の再結合に果たすクェーサーの役割を検討すること。
• 近赤外調査における将来の高赤方偏移クェーサー（z>6.5）の検出数を予測すること。
• 明るさ関数のパラメータ（折り返しマグニチュードと明るい端の勾配など）を、誤差を伴って定量化すること。

提案手法

• CFHQS における高赤方偏移クェーサー候補の深紫外・赤外画像撮影およびスペクトロスコピーを実施し、z≈6 におけるLyαブレークに感応するフィルターを用いた。
• CFHQS のクェーサーと、より明るい SDSS サンプルを統合し、合計40個のクェーサー（赤方偏移 5.74 < z < 6.42）のサンプルを構築した。
• 絶対等級 M₁₄₅₀ ごとに明るさ関数をビニングし、M₁₄₅₀ ≈ −25 付近に潜在的な折り返し点を特定した。
• 最大尤度法を用いた二重パワーロー法モデルでデータにフィットさせ、明るさ関数のパラメータ（正規化 Φ*、折り返しマグニチュード M₁₄₅₀*、明るい端の勾配 β）を推定した。
• カルノー・モンテカルロ・シミュレーションを用いて、β と M₁₄₅₀* の 1σ の不確実性および信頼区間を推定し、共分散を考慮した。
• 明るさ関数に基づき、クェーサー集団の全イオン化光子出力を計算し、再結合を維持するのに必要なイオン化率と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=6 におけるクェーサー明るさ関数の形状と正規化は何か？ また、明るさ関数に折り返し点が存在するか？
• RQ2 z=6 におけるクェーサーのイオン化放射能は、宇宙の再結合を維持するのに必要な率と比べてどの程度か？
• RQ3 現在および将来の近赤外調査で検出可能な高赤方偏移クェーサー（z>6.5）の予想数はどれくらいか？
• RQ4 明るさ関数のパラメータ（Φ*, M₁₄₅₀*, β）は、初期宇宙における特大ブラックホールの成長をどのように制約するか？
• RQ5 明るさ関数の結果は、クェーサーが再結合時代に果たす役割にどのような意味を持つのか？

主な発見

• z≈6 のクェーサー40個の統合サンプルから得られた明るさ関数の正規化は Φ(M₁₄₅₀*) = 1.14 × 10⁻⁸ Mpc⁻³ mag⁻¹ であり、これは以前のビン平均推定値と比較して約40%低い。
• 明るさ関数は M₁₄₅₀ ≈ −25.13 付近に折り返し点を示し、明るい端の勾配 β = −2.81 であり、二重パワーロー法モデルと整合的である。
• M₁₄₅₀ の範囲 −27.5 < M₁₄₅₀ < −24.7 において、明るさ関数は高い統計的信頼性（1σ不確実性 < 0.1 dex）でよく制約されている。
• M₁₄₅₀ が −26 から −24 の間の範囲では、β の95%信頼区間は −3.8 < β < −2.3 であり、β と M₁₄₅₀* の強い共分散が示されている。
• z=6 のクェーサー集団からの全イオン化光子出力は、国際的ガス媒体の再結合を維持するのに必要な率の20〜100倍も低いと推定された。
• VISTA VIDEO などの将来の調査では、十分な深さと天の川カバーを想定した場合、z≈7 で約1000個、z≈8 で約400個、z≈9 で約100個のクェーサーが検出可能と予測される。