[論文レビュー] The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey XIV. The evolution of the Lya emitter fraction from z=3 to z=6

Haruka Kusakabe, J. Blaizot+20 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 124被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、ハッブル・スーパー・ディープ・フィールドの深さのあるMUSE積分場分光法を用い、UVがきわめて弱い銀河（M₁₅₀₀ ≈ −17.75）のLyman-alpha発光体（LAE）割合の赤方偏移z=3からz=6への進化を測定した。LAE割合は低く（X_LAE ≲ 30%）、X_LAE = 0.07⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰³z − 0.22⁺⁰.¹²₋₀.²⁴という最良適合線形関係が得られ、z ≈ 5.5で転換が起こる可能性があり、遅いあるいは局所的な再イオン化プロセスを支持する。また、滑らかでない星形成モデルの方が、滑らかなモデルよりも観測結果をよく再現する。

ABSTRACT

The Lya emitter (LAE) fraction, X_LAE, is a potentially powerful probe of the evolution of the intergalactic neutral hydrogen gas fraction. However, uncertainties in the measurement of X_LAE are still debated. Thanks to deep data obtained with MUSE, we can measure the evolution of X_LAE homogeneously over a wide redshift range of z~3-6 for UV-faint galaxies (down to M_1500~-17.75). This is significantly fainter than in former studies, and allows us to probe the bulk of the population of high-z star-forming galaxies. We construct a UV-complete photo-redshift sample following UV luminosity functions and measure the Lya emission with MUSE using the second data release from the MUSE HUDF Survey. We derive the redshift evolution of X_LAE for M_1500 in [-21.75;-17.75] for the first time with a equivalent width range EW(Lya)>=65 A and find low values of X_ LAE~50 A at z~3-4, in contrast with previous work. The differences in X_LAE mainly arise from selection biases for Lyman Break Galaxies (LBGs) in the literature: UV-faint LBGs are more easily selected if they have strong Lya emission, hence X_LAE is biased towards higher values. Our results suggest either a lower increase of X_LAE towards z~6 than previously suggested, or even a turnover of X_LAE at z~5.5, which may be the signature of a late or patchy reionization process. We compared our results with predictions from a cosmological galaxy evolution model. We find that a model with a bursty star formation (SF) can reproduce our observed X_LAE much better than models where SF is a smooth function of time.

研究の動機と目的

• UVがきわめて弱い銀河（M₁₅₀₀ ≈ −17.75）に対して、z≈3–6の範囲でLyman-alpha発光体（LAE）割合X_LAEの赤方偏移による進化を測定すること。これは、従来の研究よりも明るい範囲を拡張する。
• 特に、Lyman Break Galaxy（LBG）サンプルに強く発光するLyα源が過剰に含まれていることによる選択バイアスの影響を評価すること。
• z≈3–4におけるX_LAEがUV絶対等級（M₁₅₀₀）に依存するかどうかを検証し、以前の研究で報告された強い依存関係に疑問を呈すること。
• 宇宙論的銀河進化モデルの予測と観測されたX_LAEを比較し、特に星形成歴に関する考察を行うこと。

提案手法

• 各赤方偏移と明るさのビンごとに、UV光度関数を用いてUV完全な光度赤方偏移サンプルを構築する。
• MUSEハッブル・スーパー・ディープ・フィールド調査の第二期データリリースを用い、高い感度と空間分解能でLyα発光を検出する。
• 検出限界を補正するため、バイノミアル確率信頼区間（BPCI）フレームワークを用い、モンテカルロシミュレーションで不確実性を伝搬する。
• X_LAEを赤方偏移zとUV絶対等級M₁₅₀₀の関数として線形関係にフィットし、模擬観測による誤差伝搬の妥当性を検証する。
• 観測されたX_LAE値を、特にバースト的あるいは滑らかな星形成歴を持つ宇宙論的銀河進化モデルの予測と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UVがきわめて弱い銀河（M₁₅₀₀ ≈ −17.75）に対して、z=3からz=6の範囲でLyman-alpha発光体割合X_LAEの赤方偏移による進化はどのように変化するか？
• RQ2 z≈3–4におけるX_LAEのUV絶対等級M₁₅₀₀への依存性は、従来の研究と比較して有意義か？また、その依存性は顕著か？
• RQ3 強いLyα発光を示すLBGが優勢な選択バイアスにより、過去のLAE割合測定値はどの程度歪められているか？
• RQ4 観測されたX_LAEの進化は、遅いあるいは局所的な再イオン化シナリオを支持するか？また、現在の銀河進化モデルはその進化をどの程度よく再現できるか？

主な発見

• z≤6ではLAE割合X_LAEが≤30%であることが判明し、最良適合線形関係はX_LAE = 0.07⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰³z − 0.22⁺⁰.¹²₋₀.²⁴である。
• M₁₅₀₀ ∈ [−20.25, −18.75] および EW(Lyα) ≥ 25 Å の条件下では、z≤5におけるX_LAEの推定値は1σの範囲内で文献値と整合するが、中央値は系的に低めに推定される。
• z≈3–4において、EW(Lyα) ≥ 50 Å の条件下でX_LAEがM₁₅₀₀に顕著な依存性を示さないことが判明し、以前の研究で報告された依存性とは矛盾する。
• この乖離は、選択バイアスに起因すると考えられる：UVが弱くても強く発光するLBGは、より容易に検出可能であり、その結果、サンプル内のX_LAEが高めに推定されている。
• 観測されたX_LAEの進化は、z≈5.5で転換または平坦化する可能性を示しており、遅いあるいは局所的な再イオン化プロセスを示唆する。
• バースト的星形成を含む宇宙論的銀河進化モデルは、滑らかな星形成を仮定するモデルよりも、観測されたX_LAEをよく再現する。