[論文レビュー] UNCOVERing the contribution of black holes to reionization in the JWST era

Pratika Dayal, Marta Volonteri+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2024

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本研究は Delphi 半解析モデルを用い、JWST/ALMAデータに合わせて再電離期間の電離光子予算を定量化し、低質量銀河が初期を支配する一方、AGNは終盤でのみ重要になることを示しています。

ABSTRACT

With its sensitivity in the rest-frame optical, the James Webb Space Telescope (JWST) has uncovered active galactic nuclei (AGN), comprising both intrinsically faint and heavily reddened sources, well into the first billion years of the Universe, at $z \sim 4-11$. In this work, we revisit the AGN contribution to reionization given the high number densities associated with these objects. We use the DELPHI semi-analytic model, base-lined against the latest high-redshift datasets from the JWST and the Atacama Large millimetre Array (ALMA) to model early star forming galaxies and AGN. We calculate the escape fractions of ionizing radiation from both star formation and AGN and include the impact of reionization feeback in suppressing the baryonic content of low-mass galaxies in ionized regions. This model is validated against the key observables for star forming galaxy, AGN and reionization. In our {\it fiducial} model, reionization reaches its mid-point at $z \sim 6.9$ and ends by $z \sim 5.9$. Low stellar mass ($M_*\leq 10^9M_\odot$) star forming galaxies are found to be the key drivers of the reionization process, providing about $77\%$ of the total photon budget. Despite their high numbers, high accretion rates and higher escape fractions compared to star forming galaxies at $z \sim 5$, AGN only provide about $23\%$ of the total reionization budget which is dominated by black holes in high stellar mass systems (with $M_* \geq 10^9M_\odot$). This is because AGN number densities become relevant only at $z \leq 7$ - as a result, AGN contribute as much as galaxies as late as $z \sim 6.2$, when reionization is already in its end stages. Finally, we find that even contrasting models of the AGN ionizing photon escape fraction (increasing or decreasing with stellar mass) do not qualitatively change our results.

研究の動機と目的

• 宇宙的再電離における星形成銀河とAGNの相対的役割を評価する。
• JWST/ALMAからの高赤方偏移銀河とAGN観測に合わせて半解析モデル（Delphi）を較正する。
• 電離光子の逃逸分率と再電離のフィードバック効果を計算する。
• UV光度関数および再電離観測量（τ_es, Q_II）に対してモデルを検証する。
• 異なるAGN逃逸分率の処方が再電離の歴史にどう影響するかを検討する。

提案手法

• z~40 から z=4.5 まで、ダークハロー、ガス、星、金属、ダスト、ブラックホールを追跡する Delphi 半解析モデルを用いる。
• 重種子（10^3–10^5 M_sun）でブラックホールを種付けし、光学効率ε_r=0.1で蓄積と併合による成長を許す。
• 赤方偏移に依存して効率的なBH吸収の臨界ハロー質量を導入し、散布（0.5 dex）を認める。
• 塵減衰を考慮した星の逃逸分率 f_esc^sf を、UV傾斜βおよび金属量/ダスト予算に結びつけて採用する。AGN の逃逸分率 f_esc^bh はダスト減衰後の光学的厚さ τ_bh を用いてモデル化する。
• 50 km/s 未満のハローに対して、イオン化割合 Q_II で発光度を重み付けし、最大のUV背景抑制シナリオとして再電離フィードバックを含める。
• 星形成とAGNの寄与を足し合わせて電離光子放出率 dot{n}_ion を計算し、それぞれを Q_II および Q_I（中性領域）で重み付けする。

Figure 1 : The rest-frame UV LF at $z\sim 5$ , $7$ and $10$ , as marked. In each panel, the long-dashed, dot-dashed and solid lines show the dust obscured UV LF for AGN, star formation and the “total” luminosity, as marked. In all panels, points show observational results as marked: at $z\sim 5$ (pa

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙的再電離における星形成銀河とAGNの相対的寄与はどの程度か。
• RQ2 塵の減衰と逃逸分率は redshift（z~5–10）および銀河質量にわたって星とブラックホールの電離光子逃逸にどのように影響するか。
• RQ3 JWSTで較正されたDelphiモデルは z~5–10 の観測されたUVLFと再電離観測量（τ_es, Q_II）を再現できるか。
• RQ4 再電離フィードバックは低質量ハローのバリオン含有量とそれに続く星形成/ブラックホール成長にどのように影響するか。
• RQ5 異なるAGN逃逸分率処方は再電離のタイミングと持続時間にどのような影響を与えるか。

主な発見

• 低質量の星形成銀河（M_* < 10^9 M_sun）は再電離の総電離光子予算の大部分を担い、規範モデルでは約77%に寄与。
• AGNは総再電離予算の約23%を寄与し、高質量銀河（M_* ≳ 10^9 M_sun）のブラックホールが z ≲ 7 で支配的。
• AGNの数密度は z ≲ 7 で初めて重要となり、AGNの寄与は再電離の終盤（z ~ 5.9–6.2）にピークする。
• AGN f_esc^bh の処方が質的に異なっても、結果は同様である：低質量銀河の星が再電離を主導し、AGNは後半で主に寄与、予算を早期に支配しない。
• maximal f_esc^bh = 1 のシナリオは z ≲ 6 で放出率の制約を超えてしまい、観測と矛盾して否定的。
• 規範モデルは再電離の中間点を z ≈ 6.9、完了を z ≈ 5.9 とし、τ_es は Planck の値に整合している。

Figure 2 : As a function of the stellar mass, we show the intrinsic production rate of ionizing photons ( left panel ) and their escape fractions ( right panel ) at $z\sim 5-10$ , as marked. In each panel, the solid and dashed lines show the results for star formation and black holes, respectively.