[논문 리뷰] Chasing the Tail of Cosmic Reionization with Dark Gap Statistics in the Lyα Forest over 5 < z < 6

Yongda Zhu, George D. Becker외 15명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 20.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 9인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 5 < z < 6 범위의 55개의 활성은하핵 스펙트럼에서 관측된 리어-알파 숲 내 극도로 흡수된 영역인 어두운 간극을 이용하여, 은하계 재이온화의 말기 단계 동안 간성간 매질을 탐구한다. 연구는 80 h⁻¹ Mpc 이상의 초장거리 어두운 간극 9개를 식별하였으며, 30 h⁻¹ Mpc를 초과하는 간극을 포함한 스펙트럼 비율 F₃₀가 z ≈ 5.3까지도 높은 수준(약 0.15)을 유지함을 발견하여, z = 6 이하에서도 중성 헬륨의 고립된 영역이나 대규모 이온화 배경의 변동성이 지속됨을 시사하며, z ≈ 6에서 재이온화가 급격히 끝났다는 모델에 도전한다.

ABSTRACT

We present a new investigation of the intergalactic medium (IGM) near the end of reionization using “dark gaps” in the Lyα forest. Using spectra of 55 QSOs at z em &gt; 5.5, including new data from the XQR-30 VLT Large Programme, we identify gaps in the Lyα forest where the transmission averaged over 1 comoving h −1 Mpc bins falls below 5%. Nine ultralong (L &gt; 80 h −1 Mpc) dark gaps are identified at z &lt; 6. In addition, we quantify the fraction of QSO spectra exhibiting gaps longer than 30 h −1 Mpc, F 30, as a function of redshift. We measure F 30 ≃ 0.9, 0.6, and 0.15 at z = 6.0, 5.8, and 5.6, respectively, with the last of these long dark gaps persisting down to z ≃5.3. Comparing our results with predictions from hydrodynamical simulations, we find that the data are consistent with models wherein reionization extends significantly below redshift six. Models wherein the IGM is essentially fully reionized that retain large-scale fluctuations in the ionizing UV background at z ≲6 are also potentially consistent with the data. Overall, our results suggest that signatures of reionization in the form of islands of neutral hydrogen and/or large-scale fluctuations in the ionizing background remain present in the IGM until at least z ≃ 5.3.

연구 동기 및 목표

• 리어-알파 숲 내 어두운 간극을 이용하여 은하계 재이온화의 말기 단계에서 간성간 매질의 상태를 조사하는 것.
• 5 < z < 6 범위에서 적색편이에 따라 긴 어두운 간극(L > 30 h⁻¹ Mpc)의 퍼센트 비율을 정량화하는 것.
• 관측된 어두운 간극 통계가 z = 6 이하에서 재이온화가 끝나는 모델과 일치하는지 테스트하는 것.
• z ≲ 6에서 잔류 중성 수소 고립체나 이온화 자외선 배경의 대규모 변동성을 포함하는 모델의 타당성을 평가하는 것.

제안 방법

• XQR-30 VLT 대규모 프로그램 및 기타 자료에서 확보한 고해상도 활성은하핵 스펙트럼을 분석하여 z_em > 5.5 범위의 적색편이를 커버하는 것.
• 리어-알파 숲 내에서 1개의 복합적 h⁻¹ Mpc 간격에서 평균 투과율이 5% 이하인 영역을 어두운 간극으로 정의하는 것.
• 다양한 적색편이에서 30 h⁻¹ Mpc를 초과하는 간극을 포함한 활성은하핵 스펙트럼의 비율 F₃₀를 측정하는 것.
• 간성간 매질 내 대규모 구조를 탐색하기 위해 초장거리 어두운 간극(L > 80 h⁻¹ Mpc)을 식별하는 것.
• 관측된 어두운 간극 통계를 재이온화의 유체역학적 시뮬레이션 예측과 비교하는 것.
• 관측된 F₃₀ 값이 시뮬레이션된 재이온화 시나리오와 일치하는지 평가하여 모델의 타당성을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리어-알파 숲 내 어두운 간극은 은하계 재이온화의 마지막 단계에서 중성 수소의 존재를 어느 정도 반영하는가?
• RQ2 5 < z < 6 범위에서 간성간 매질 내 긴 어두운 간극(L > 30 h⁻¹ Mpc)의 적색편이 변화는 어떠한가?
• RQ3 관측된 어두운 간극 통계는 재이온화가 z = 6 이하에서 끝나는 모델과 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ4 z ≲ 6에서 이온화 자외선 배경의 대규모 변동성이 간성간 매질에서 감지 가능할 수 있는가?
• RQ5 중성 수소 고립체는 z ≈ 5.3까지 어느 정도 지속되는가?

주요 결과

• z < 6 범위의 리어-알파 숲에서 초장거리 어두운 간극(L > 80 h⁻¹ Mpc) 9개가 식별되었으며, 이는 낮은 투과율을 가진 대규모 영역을 시사한다.
• 30 h⁻¹ Mpc를 초과하는 간극을 포함한 활성은하핵 스펙트럼의 비율 F₃₀는 z = 6.0에서 0.9, z = 5.8에서 0.6, z = 5.6에서 0.15로 측정되었다.
• 긴 어두운 간극은 z ≈ 5.3까지 지속되며, 이는 해당 적색편이에서 간성간 매질 내 중성 수소의 흔적이 여전히 감지 가능함을 시사한다.
• 관측된 어두운 간극 통계는 재이온화가 z = 6 이하로 크게 연장된 모델과 일치한다.
• 완전히 이온화된 간성간 매질을 가정하더라도 z ≲ 6에서 이온화 자외선 배경의 대규모 변동성이 존재하는 모델도 데이터와 일치한다.
• 결과적으로, 중성 수소 고립체나 이온화 배경의 변동성과 같은 재이온화의 흔적이 적어도 z ≈ 5.3까지 간성간 매질에 남아 있음을 시사한다.