[논문 리뷰] CEERS: Diversity of Lyman-Alpha Emitters during the Epoch of Reionization

Intae Jung, Steven L. Finkelstein외 30명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 23

한 줄 요약

본 논문은 JWST/NIRSpec 스펙트럼으로 z~7.5 LAEs 세 개를 분석해 ISM 특성, Lyα 방출 및 암시된 이온화 버블 크기를 특징지하며 재이온화 기간 동안 다양한 Lyα 탈출 시나리오를 드러낸다.

ABSTRACT

We analyze rest-frame ultraviolet to optical spectra of three $z\simeq7.47$ - $7.75$ galaxies whose Ly$α$-emission lines were previously detected with Keck/MOSFIRE observations, using the JWST/NIRSpec observations from the Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) survey. From NIRSpec data, we confirm the systemic redshifts of these Ly$α$ emitters, and emission-line ratio diagnostics indicate these galaxies were highly ionized and metal poor. We investigate Ly$α$ line properties, including the line flux, velocity offset, and spatial extension. For the one galaxy where we have both NIRSpec and MOSFIRE measurements, we find a significant offset in their flux measurements ($\sim5 imes$ greater in MOSFIRE) and a marginal difference in the velocity shifts. The simplest interpretation is that the Ly$α$ emission is extended and not entirely encompassed by the NIRSpec slit. The cross-dispersion profiles in NIRSpec reveal that Ly$α$ in one galaxy is significantly more extended than the non-resonant emission lines. We also compute the expected sizes of ionized bubbles that can be generated by the Ly$α$ sources, discussing viable scenarios for the creation of sizable ionized bubbles ($>$1 physical Mpc). The source with the highest-ionization condition is possibly capable of ionizing its own bubble, while the other two do not appear to be capable of ionizing such a large region, requiring additional sources of ionizing photons. Therefore, the fact that we detect Ly$α$ from these galaxies suggests diverse scenarios on escape of Ly$α$ during the epoch of reionization. High spectral resolution spectra with JWST/NIRSpec will be extremely useful for constraining the physics of patchy reionization.

연구 동기 및 목표

• Keck/MOSFIRE로 탐지된 z~7.47–7.75 Lyα emitters의 휴프레임 UV에서 광학스펙트럼까지의 스펙트럼을 조사하여 재이온화 기간 중 ISM 조건과 Lyα 탈출을 이해한다.
• 이 초기 은하들의 이온화, 금속성, 먼지 특성을 추론하기 위한 방출선 진단을 평가한다.
• Lyα 원천 주위의 이온화 버블 크기를 추정하여 IGM를 통한 Lyα 전달 채널 형성에서의 역할을 평가한다.
• JWST/NIRSpec와 지상 기반 MOSFIRE 간의 Lyα 측정을 비교하여 플럭스와 속도 편차에 대한 공간적/소멸 효과를 평가한다.

제안 방법

• Hβ, [O III], [O II] 등 방출선을 검출하고 체계적 적색편이를 측정하기 위해 JWST/NIRSpec MR 및 PRISM 스펙트럼을 사용한다.
• 방출선을 가우시안 또는 비대칭 가우시안 프로파일로 피팅하고, 기기적 광대역화 보정 후 선 플럭스를 도출한다.
• 선비율 진단(O3, O32, RO3, R23, Ne3O2)을 계산하여 이온화 상태, 전자 온도, 금속화를 추론한다.
• Te 기반 산소 abundance는 12+log(O/H)=7.50+0.09−0.09 및 7.77+0.01−0.01이며, 이는 Z/Z⊙≈0.07 및 0.12에 대응한다.
• Hβ와 UV 광도로부터 이온화 광자 생산 효율성(ξion)을 추정하고 간접 지표를 통해 LyC 탈출 함의를 추론한다.
• NIRSpec와 MOSFIRE 간 Lyα 플럭스와 속도 편차를 비교하되 슬릿 손실 및 Lyα 방출의 공간 확장을 고려한다.
• LAEs 주변의 잠재적 이온화 버블 크기를 모델링하여 개별 소스가 >1 물리적 Mpc 구역을 이온화할 수 있는지 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JWST/NIRSpec 방출선에 의해 드러난 z~7.5 LAEs의 ISM 특성(이온화, 금속성, 온도, 먼지)은 무엇인가?
• RQ2 JWST와 지상 기반 분광학으로 관측할 때 이 은하들에서 Lyα 방출은 플럭스와 속도 편차를 포함하여 어떻게 다르게 나타나는가?
• RQ3 이 LAEs 주변의 암시된 이온화 버블 크기는 어떠하며 재이온화 기간 동안 소스가 자체적으로 이온화 영역을 유지할 수 있는가?
• RQ4 이 LAEs는 z>7에서 Lyα 탈출 및 재이온화 조각성에 대해 다양한 시나리오를 시사하는가?

주요 결과

• 두 개의 LAEs(z8_13573 및 z8_69492)는 O32 비가 높게 나타나(6.84 및 19.30) 극심한 이온화 조건을 시사한다.
• 이온화 매개변수는 log U (c에 상대적) 값이 −2.15+0.13−0.12 및 −1.76+0.22−0.19로, z≲6 은하의 상단에 위치하고 z>7 객체와 일치한다.
• Te 기반 산소 abundance는 12+log(O/H)=7.50+0.09−0.09 및 7.77+0.01−0.01이며, 이는 Z/Z⊙≈0.07 및 0.12에 대응한다.
• 측정된 Ne3O2 값은 0.49+0.09−0.08 및 1.03+0.35−0.24로, OHNO 스타일 도표에서 고이온화, 금속미함대에 위치한다.
• OIII] 4363 검출은 MR-그레이팅 소스 두 개에 대해 낮은 금속성에 일치하는 전자 온도를 산출한다.
• MOSFIRE의 Lyα 플럭스는 1.23±0.18 및 3.13±0.65 ×10−17 erg s−1 cm−2이며 체계적 적색편이로부터의 속도 편차는 −165±72 km s−1 및 142±142 km s−1이고(z8_69492에 대해는 NIRSpec에서 −̄, 424+104−290 km s−1).
• NIRSpec의 Lyα 플럭스는 MOSFIRE 측정값보다 현저히 작아 확장된 Lyα 방출로 인한 슬릿 손실을 시사한다.
• 적어도 한 은하에서 Lyα 방출이 공간적으로 확장된 것으로 보이며, 세 LAEs는 재이온화 기간 동안 Lyα 탈출 및 이온화 버블 요구에 대해 다양한 시사점을 보인다.