[論文レビュー] The clustering of Lyman alpha emitters at z=7: implications for reionization and host halo masses

Emanuele Sobacchi, Andrei Mesinger|arXiv (Cornell University)|May 11, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、z≈7のレイマンアルファエミッター（LAEs）の角度相関関数（ACF）を用いて再イオン化とホストハロー質量を調査し、観測された低クラスタリングは、中性水素分率⟨x_HI⟩ < 0.5（1σ）およびホストハロー質量M_h ≲ 10¹⁰ M☉を示しており、LAEsが低質量ハロー内の若い星形成銀河である可能性を示唆している。HSCアンバーサービューディープ調査は、これらの制約を顕著に厳密にする見込みである。

ABSTRACT

The Ly$α$ line of high-redshift galaxies has emerged as a powerful probe of both early galaxy evolution and the epoch of reionization (EoR). Motivated by the upcoming wide-field survey with the Subaru Hyper Suprime-Cam (HSC), we study the angular correlation function (ACF) of narrow-band selected, $z\approx7$ Ly$α$ emitting galaxies (LAEs). The clustering of LAEs is determined by both: (i) their typical host halo masses, $\bar{M}_{ m h}$; and (ii) the absorption due to a patchy EoR, characterized by an average neutral fraction of the intergalactic medium, $\bar{x}_{ m HI}$. We bracket the allowed LAE ACFs by exploring extreme scenarios for both the intrinsic Ly$α$ emission and the large-scale pattern (i.e. morphology) of cosmic ionized patches in physical EoR models. Independent of the EoR morphology, current $z\approx 7$ ACF measurements constrain $\bar{x}_{ m HI}\lesssim 0.5$ (1-$σ$). We also find that the low values of the currently-observed ACF imply that LAEs are hosted by relatively small dark matter halos: $\bar{M}_{ m h} \lesssim 10^{10} M_{\odot}$, with corresponding duty cycles of $\lesssim$ few per cent. These values are over an order of magnitude lower than the analogous ones for color-selected, Lyman break galaxies, suggesting that $z\approx 7$ narrow-band LAEs searches are preferentially selecting young, star-burst galaxies, residing in less massive halos. The upcoming Ultra Deep campaign with the HSC will significantly improve constraints on both the EoR and LAE host halos.

研究の動機と目的

• z≈7のレイマンアルファエミッター（LAEs）の角度相関関数（ACF）を、再イオン化の時代（EoR）およびそれらのホストハロー質量のプローブとして用いる。
• クラスタリング測定を用いて、EoR（中性IGM分率x_HIによるもの）と内在的LAE性質（例：Lα全波長、脱出率）の影響を分離する。
• 近い将来のHSCアンバーサービューディープ調査データが、EoRおよびLAEホストハロー質量の制約をどの程度改善できるかを評価する。
• 狭帯域選択LAEsと色選択Lyaブレイク銀河（LBGs）が、ホストハロー特性およびデューティーサイクルにおいてどのように異なるかを調査する。

提案手法

• ダークマターハローのクラスタリングとパッチィ再イオン化によるIGM透過率効果を組み合わせることで、z≈7のLAEsの観測ACFをモデル化する。
• 極端な状況（例：内在的Lα放射、イオン化バブルパターン）を探索し、観測ACFの許容範囲を規定する。
• z=6.6におけるOuchiら（2010）の観測ACFを用い、ACFが主にハロークラスタリングとIGM吸収に起因すると仮定して、平均の中性水素分率⟨x_HI⟩を制約する。
• IGM吸収効果を考慮した上で、内在的ACF（ハロークラスタリングに起因）が観測ACFを超えないようにすることで、ホストハロー質量M_hの上限を導出する。
• 観測された数密度とハロー質量関数、典型的なLα全波長関数を組み合わせることで、LAEのデューティーサイクルを推定する。
• 今後の制約を予測するため、期待されるHSCアンバーサービューディープ調査の感度を仮定し、観測ACFが現在の測定値と変わらないものとする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z≈7におけるLAEsの観測角度相関関数（ACF）から、IGM内での平均の中性水素分率⟨x_HI⟩はどの程度制約されるか？
• RQ2 観測されたクラスタリング振幅に基づいて、z≈7のLAEsのホストハロー質量M_hの上限は何か？
• RQ3 狭帯域選択LAEsの推定されたホストハロー質量およびデューティーサイクルは、z≈7における色選択Lyaブレイク銀河（LBGs）と比較してどのようになるか？
• RQ4 LAEのクラスタリングは、内在的Lα放射性質の不確実性に依存しない、再イオン化の強力なプローブとしてどの程度有効か？
• RQ5 近い将来のHSCアンバーサービューディープ調査は、z≈7のLAEsの⟨x_HI⟩およびM_hの制約をどの程度改善するか？

主な発見

• 現在のz≈7のLAE角度相関関数の測定値は、IGM内の中性水素分率を1σ信頼水準で⟨x_HI⟩ < 0.5に制約している。
• 低く観測されたACFは、LAEsが比較的低質量のダークマターハローに宿っていることを示しており、平均的なホストハロー質量はM_h ≲ 10¹⁰ M☉である。
• LAEの推定デューティーサイクル（ハローが検出可能なLAEを宿す時間の割合）は数パーセント未満であり、珍しく一時的なLα活動を示している。
• これらのホストハロー質量は、z≈7における色選択Lyaブレイク銀河（LBGs）が推定される質量よりも10倍以上も小さいため、LAEsが異なる集団を優先的に選択している可能性を示唆している。
• ホストハロー質量の差は、主に狭帯域調査の選択関数に起因しており、低質量ハローにあり、高Lα等価幅を持つ若い星形成銀河を優遇している。
• 近い将来のHSCアンバーサービューディープ調査は、観測ACFが現在の測定値と一致すると仮定して、⟨x_HI⟩の制約を≲ 0.3（1σ）まで改善すると予想される。