[論文レビュー] The Metal Contents of Very Low Column Density Lyman-alpha Clouds: Implications for the Origin of Heavy Elements in the Intergalactic Medium

Limin Lu, W. L. W. Sargent+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 1998

Leaf Properties and Growth Measurement参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 2.2 < z < 3.6 の範囲で、非常に低いヒドロゲンハイドロゲン密度（10^13.5 < N(HI) < 10^14 cm⁻²）のライマンアルファ雲における金属量を測定するために、高分解能・高SN比のクェザースペクトルを分析した。合成スペクトル解析により、平均 [C/H] < -3.5 の結果が得られ、極めて低い金属量であることが示され、これは広範囲にわたる第III星族の重元素拡散を排除し、むしろフィラメント構造内での第II星族の現地的生成を支持する。一方、ボイド領域の雲は、第III星族の汚染が最小限にとどまった可能性がある。

ABSTRACT

We investigate the metal contents of Lyman-alpha clouds at 2.210^14.5 cm-2. This result rules out the suggestion that a generation of Population III stars could have polluted the entire universe to a (nearly) uniform metallicity level of [C/H]=-2.5. Cosmological simulations involving gas hydrodynamics indicate that Lyman-alpha absorption with N(HI)&gt;10^14.5 cm-2 mostly occur in the filamentary gaseous regions surrounding and connecting collapsed objects, while those with N(HI)&lt;10^14 cm-2 are preferentially found in void regions further away from collapsed objects. These results, coupled with the simulation results of Ostriker and Gnedin (1996) and Gnedin and Ostriker (1997) for Pop III star formation and enrichment, strongly suggest that most of the heavy elements in Lyman-alpha clouds with N(HI)&gt;10^14.5 cm-2 (i.e., gas in the filaments) were probably prodcued in situ by Pop II stars, in the sense that they were either made by stars within the clouds or were ejected from nearby star-forming galaxies. Within this context, clouds with N(HI)&lt;10^14 cm-2 (i.e., gas in void regions) may only have e experienced pollution from Pop III stars.

研究の動機と目的

• 非常に低いヒドロゲン密度のライマンアルファ雲（10^13.5 < N(HI) < 10^14 cm⁻²）における金属量を、高い赤方偏移（2.2 < z < 3.6）で測定すること。
• 第III星族の星が一様に宇宙間媒体を [C/H] ≈ -2.5 まで拡散させたという仮説を検証すること。
• ヒドロゲンの密度に応じた異なる宇宙環境（フィラメント対ボイド）における重元素の起源を比較することで、銀河間媒体内での重元素の起源を特定すること。
• 観測された金属量の傾向に基づいて、フィラメント構造内での現地的星形成および銀河からの噴出物が、銀河間媒体をどのように拡散させたかを評価すること。

提案手法

• 10m Keck I望遠鏡を用いて、9個のクェザーの高分解能・高SN比スペクトルを取得した。
• 複数のクェザー線路からの吸収ラインを統合して信号対雑音比を向上させ、弱い金属線を検出するために合成スペクトル解析を適用した。
• C II および他の低イオン化金属線の等価幅から、光電離平衡を仮定し、標準的な元素組成解析手法を用いて金属量を導出した。
• 解析対象は、通常のライマンアルファフォレストの閾値未満の領域、すなわち 10^13.5 < N(HI) < 10^14 cm⁻² に限定した。
• 銀河間媒体内での金属を含むガスの空間的分布を解釈するために、宇宙論的流体力学的シミュレーション（Ostriker & Gnedin 1996; Gnedin & Ostriker 1997）と結果を比較した。
• 観測された C II λ1334 線強度から [C/H] を推定するために、標準的な原子データおよびイオン化補正係数を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移 z ≈ 2.5–3.6 の非常に低いヒドロゲン密度のライマンアルファ雲（10^13.5 < N(HI) < 10^14 cm⁻²）の平均金属量は何か？
• RQ2 観測された金属量は、第III星族の星による拡散のみで説明可能か？
• RQ3 フィラメントとボイドにおける金属を含むガスの空間的分布は、銀河間媒体内での重元素の起源とどのように関係するか？
• RQ4 フィラメント構造内での現地的星形成が、広範囲にわたる第III星族の汚染よりも金属の供給源としてより妥当な可能性があるか？
• RQ5 観測された金属量のレベルは、初期銀河形成および宇宙再電離モデルにどのような制約を課えるか？

主な発見

• 非常に低いヒドロゲン密度のライマンアルファ雲（10^13.5 < N(HI) < 10^14 cm⁻²）の平均金属量は [C/H] < -3.5 であり、極めて低い金属量であることが示された。
• この金属量は、N(HI) > 10^14.5 cm⁻² の雲が示す金属量よりも10倍以上も低い。これらの雲は通常、フィラメント構造に存在する。
• 低金属量は、第III星族の星が全銀河間媒体を一様に [C/H] ≈ -2.5 まで拡散させた可能性を排除する。
• 宇宙論的シミュレーションでは、N(HI) > 10^14.5 cm⁻² の雲は、崩壊した構造物に近いフィラメントに存在するが、N(HI) が低い雲はボイドに位置することが示されている。
• この結果は、フィラメント構造内の雲に存在する重元素が、おそらく雲内または近隣の銀河内で第II星族の星によって現地的に生成されたものである可能性を示唆する。
• 一方、ボイド領域の雲は、観測された低金属量と整合的に、第III星族の星による拡散が最小限にとどまった可能性がある。