[논문 리뷰] Chasing Lyman alpha-emitting galaxies at z = 8.8

Peter Laursen, Jesper Sommer‐Larsen외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 19.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 157인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 우주론적 수치 시뮬레이션과 헬로 질량 함수 통계를 조합한 복사전달 시뮬레이션을 사용하여 z=8.8에서 라이만-알파 방출은 은하의 탐지 가능성 예측한다. 이는 IGM 및 CGM 산란로 인해 낮은 탐지 확률(1개 은하에 대해 10%, 더 많은 경우 1%)을 보이며, 선택성을 향상시키기 위해 +0.85 AB mag의 완화된 NB–BB 색상 기준을 제안한다. 이 경우 탐지된 NB 소스가 진정된 LAE임을 식별할 가능성은 약 35%에 불과하다.

ABSTRACT

With a total integration time of 168 hours and a narrowband (NB) filter tuned to Lyman alpha at z = 8.8, the UltraVISTA survey has set out to find some of the most distant galaxies, on the verge of the Epoch of Reionization. Previous calculations of the expected number of detected Lya-emitting galaxies (LAEs) at this redshift did not explicitly take into account the radiative transfer (RT) of Lya. In this work we combine a theoretical model for the halo mass function with numerical results from high-res cosmological hydrosimulations with LyC+Lya RT, assessing the visibility of LAEs residing in these halos. Uncertainties such as cosmic variance and the anisotropic escape of Lya are taken into account, and it is predicted that once the survey has finished, the probabilities of detecting none, one, or more than one are ~90%, ~10%, and ~1%; a significantly smaller success rate compared to earlier predictions, due to the combined effect of a highly neutral IGM scattering Lya to such large distances from the galaxy that they fall outside the observational aperture, and to the actual depth of the survey being less than predicted. Because the IGM affects NB and broadband (BB) magnitudes differently, we argue for a relaxed color selection criterion of NB - BB ~ +0.85. But since the flux is continuum-dominated, even if a galaxy is detectable in the NB its probability of being selected as a NB excess object is

연구 동기 및 목표

• 초기 은하의 라이만-알파 방출은 은하(LAEs)가 초초심도 탐사인 UltraVISTA에서 탐지 가능한지, 복사전달 효과를 고려하여 예측하는 것.
• 은하간 매질(IGM) 및 은하주변 매질(CGM) 산란이 라이만-알파 가시성과 관측용 적외선 효율성에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 窄대역(NB) 및 광대역(BB) 필터에서 비대칭적 복사율 감소를 고려하여 NB–BB 색상 기준을 재평가함으로써 LAE 선택을 향상시키는 것.
• 천체물리 측정에서 비대칭 불확실성의 조합을 위한 수치적 방법을 개발하고 공개하는 것.
• 광도 함수, 항성 질량–은하핵 질량 관계, 그리고 비대칭적 라이만-알파 탈출과 같은 z=8.8에서의 핵심 은하 성질에 대한 예측을 제공하는 것.

제안 방법

• 이온화된 자외선 및 라이만-알파 복사에 대해 고해상도 천체역학 시뮬레이션과 후처리 복사전달을 조합한다.
• 이론적 헬로 질량 함수를 사용하여 z=8.8에서 LAE를 수용하는 어둠센 물질 헬로의 기대 밀도를 모델링한다.
• 복사전달 시뮬레이션을 적용하여 ISM 및 IGM 내 산란를 포함한 라이만-알파 탈출율과 각도 비대칭성을 계산한다.
• IGM 감쇠 날개와 라이만-알파 브레이크 위치의 영향을 모델링하여 NB와 BB magnitude 간의 차별적 감소를 예측한다.
• 몬테카를로 샘플링을 사용하여 비대칭 불확실성(x_{-σ_-}^{+σ_+})을 더하는 새로운 알고리즘을 도입하고 검증하며, 기존의 제곱합 방법보다 우수하다.
• 필터 응답, 노출 시간, 천체배경 변동 등을 고려한 현실적인 탐사 조건 하에서 관측된 magnitude와 색상의 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 복사전달과 헬로 통계를 고려할 때, UltraVISTA 탐사에서 z=8.8에서 탐지 가능한 라이만-알파 방출은 은하의 기대 수는 얼마인가요?
• RQ2 IGM 및 CGM 산란은 라이만-알파 방출의 탐지 가능성에 어떻게 영향을 미치며, 표준 조합에서 얼마나 많은 복사율이 탈출할 수 있나요?
• RQ3 NB와 BB 필터에서 비대칭적 감소가 발생함을 고려할 때, z=8.8에서 LAE를 식별하기 위한 최적의 NB–BB 색상 선택 기준은 무엇인가요?
• RQ4 窄대역 초과로 식별된 소스 중 진정된 LAE를 탐지할 확률는 얼마이며, 이는 복사율과 조합 크기에 따라 어떻게 달라지나요?
• RQ5 관측 데이터의 비대칭 불확실성은 병합 측정의 신뢰성에 어떻게 영향을 미치며, 이를 더 잘 전파시키는 방법은 무엇인가요?

주요 결과

• IGM 및 CGM 산란으로 인해 UltraVISTA 탐사에서 z=8.8에서 LAE를 탐지할 확률은 각각 약 10%와 1%에 불과하다.
• 약 25%의 라이만-알파 복사율이 IGM 흡수로 인해 연속 스펙트럼 수준으로 억제되며, 최대 절반의 총 복사율이 표준 조합 외부로 빠질 수 있다.
• UltraVISTA에서 탐지 확률을 극대화하기 위해 1.4 아크초의 조합이 최적이다. 더 큰 조합은 노이즈를 증가시키지만 복사율 손실을 상쇄하지 못한다.
• IGM는 NB magnitude를 BB magnitude보다 덜 억제하므로, 엄격한 NB–BB ≤ 0 색상 기준은 효과가 없다. 대신 NB–BB ≈ +0.85 AB mag의 완화된 기준을 권장한다.
• 조금이라도 NB에서 탐지된 은하라도 진정된 LAE로 정확히 선택될 확률은 35% 이하에 그친다. 이는 오염과 복사율 억제로 인한 것이다.
• 플랑크 우주론을 WMAP7 대신 사용할 경우 기대 탐지 수가 약 0.12에서 약 0.61로 증가하며, IGM 블루 날개를 제거하면 탐지 수가 약 1로 증가함을 보여, IGM 효과가 억제의 주요 원인임을 시사한다.