[논문 리뷰] 3D Lyman-alpha radiation transfer. III. Constraints on gas and stellar properties of z~3 Lyman break galaxies (LBG) and implications for high-z LBGs and Lyman-alpha emitters(LAEs)

Anne Verhamme, D. Schaerer외 2명|ArXiv.org|2008. 05. 23.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 96인용 수 160

한 줄 요약

이 연구는 z~3 라이만 브레이크은하(LBGs)의 가스 및 별 성질을 제약하기 위해 3차원 라이만-알파 복사전달 모델을 사용한다. 관측된 라이만-알파 선형상과 등가폭은 주로 H i 열량 밀도와 먼지 흡수(지수 E(B-V) ~ 0.05–0.2)에 의해 결정된다. 주요 결과는 대부분의 LBGs가 내재된 라이만-알파 등가폭 50–100 Å을 가지며, 복사전달 및 먼지 효과로 인해 변동성이 발생함을 보여주며, 이는 LBGs와 라이만-알파 에미터(LAEs) 간의 겹침과 적색편이 및 별 형성률(SFR)에 따른 라이만-알파 강도의 추세를 설명한다.

ABSTRACT

The Aim of our study is to understand the variety of observed Lyman-alpha (Lya) line profiles and strengths in Lyman Break Galaxies (LBGs) and Lya emitters (LAEs), the physical parameters governing them, and hence deriving constraints on the gas and dust content and stellar populations of these objects. Using our 3D Lya radiation transfer code including gas and dust (Verhamme et al. 2006), we fit 11 LBGs from the FORS Deep Field with redshifts between 2.8 and 5 observed by Tapken et al. (2007). A simple geometry of a spherically expanding shell of HI is adopted. RESULTS : The variety of observed Lya profiles is successfully reproduced. Most objects show outflow velocities of 150-200 km/s; two objects are most likely quasi-static. The radial HI column density ranges from NH=2.10^{19} to 7.10^{20} cm^{-2}. Our Lya profile fits yield values of E(B-V)~0.05-0.2 for the gas extinction. We find indications for a dust-to-gas ratio higher than the Galactic value, and for a substantial scatter. The escape fraction of Lya photons is found to be determined primarily by the extinction, and a simple fit formula is proposed. Intrinsic EW(Lya)~50-100 Angstroms are found for 8/11 objects, as expected for stellar populations forming constantly over long periods (> 10-100 Myr). In three cases we found indications for younger populations. Correlations between the observed EW(Lya) and other observables such as FWHM(Lya), E(B-V),SFR(UV) etc, are reproduced. We also show that there is a clear overlap between LBGs and LAEs. Radiation transfer and dust effects explain the increase of the LAE/LBG ratio, and a higher percentage of LBGs with strong Lya emission with increasing redshift. [shortened]

연구 동기 및 목표

• 고적색편이 라이만 브레이크은하(LBGs)와 라이만-알파 에미터(LAEs)에서 관측된 라이만-알파 선형상과 강도의 다양성의 물리적 기원을 이해하기 위해.
• 세밀한 복사전달 모델링을 통해 z~3 LBGs의 가스 및 먼지 함량, 별 집단, 그리고 유속 성질을 제약하기 위해.
• 관측된 라이만-알파 등가폭, FWHM, 흡수 및 SFR 간의 상관관계가 내재된 차이에 기인하는지 아니면 복사전달 효과에 기인하는지 판단하기 위해.
• 특히 z~3에서 LBGs와 LAEs 간의 관계를 평가하기 위해.
• 복사전달 및 먼지 효과를 보정한 후 라이만-알파 등가폭이 SFR 지표로 신뢰할 수 있는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 11개의 z~3 LBGs에 대해 3D 라이만-알파 복사전달 코드를 적용하였으며, FORS 딥 필드에서 확보된 적색편이 2.8–5 사이의 천체들이다.
• 라이만-알파 전달과 먼지 흡수를 모델링하기 위해 구형 대칭의 확장 H i 쉘 기하구조를 가정한다.
• 복사전달은 공명 산란, 먼지 흡수(E(B-V)를 자유 매개변수로 사용), 그리고 비등방성으로서의 라이만-알파 광자의 탈출을 포함한다.
• 관측된 라이만-알파 선형상과 등가폭에 대한 모델 피팅을 수행하며, 내재된 라이만-알파 EW를 자유 매개변수로 사용한다.
• 모델은 먼지 대 가스 비율의 변화를 포함하며, 갈릴레오 먼지 법칙에서의 이탈 여부를 시험한다.
• E(B-V)에 따른 라이만-알파 탈출율을 설명하는 단순한 경험적 피팅 공식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특히 H i 열량 밀도와 먼지 흡수 등 물리적 매개변수들이 z~3 LBGs에서 관측된 라이만-알파 선형상과 등가폭의 다양성을 결정하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 복사전달 및 먼지 효과가 LBGs와 LAEs에서 라이만-알파 성질, FWHM, 흡수 및 SFR 간의 관측된 상관관계를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ3 LBGs의 내재된 라이만-알파 등가폭은 관측된 값과 어떻게 비교되며, 이는 별 형성 역사에 어떤 함의를 지니는가?
• RQ4 z~3에서 LBGs와 LAEs 간의 관계는 어떠한가? 관측된 겹침과 적색편이 증가에 따른 LAE/LBG 비율 증가를 복사전달 및 먼지 효과로 설명할 수 있는가?
• RQ5 내재된 라이만-알파 EW가 알려져 있을 경우, 관측된 라이만-알파 등가폭으로부터 E(B-V)를 추론할 수 있는가?

주요 결과

• 3차원 복사전달 모델을 사용한 구형 대칭 유동을 고려한 모델은 z~3 LBGs에서 관측된 라이만-알파 선형상과 강도의 다양성을 성공적으로 재현한다.
• 대부분의 LBGs는 150–200 km s⁻¹의 유속을 보이며, 두 개의 천체는 준정적 조건과 일치한다.
• H i 열량 밀도는 N_Hi ~ 2×10¹⁹에서 7×10²⁰ cm⁻² 사이이며, 먼지 흡수(E(B-V))는 약 ~0.05에서 0.2 사이로, 갈릴레오보다 높은 먼지 대 가스 비율에 대한 증거가 있다.
• 라이만-알파 탈출율은 주로 먼지 흡수에 의해 결정되며, 내재된 EW가 알려져 있을 경우 EW_obs와 E(B-V) 간의 단순 피팅 공식을 제안한다.
• 내재된 라이만-알파 등가폭은 11개 LBGs 중 8개에서 약 50–100 Å로 확인되었으며, 10–100 Myr 동안의 연속적인 별 형성과 일치하며, 세 개의 천체는 더 어린 집단을 시사한다.
• z~3에서 LBGs와 LAEs 간에 명백한 겹침이 존재한다: EW(Lyα)_{obs} > 20 Å인 LBGs 약 20–25%가 R_AB = 25.5 mag보다 밝은 LAEs와 일치하며, 복사전달 및 먼지 효과는 적색편이 증가에 따른 LAE/LBG 비율 증가를 자연스럽게 설명한다.