[논문 리뷰] Confirmation of double peaked Lyman-alpha emission at z=6.593: Witnessing a galaxy directly contributing to the reionisation of the Universe

Jorryt Matthee, David Sobral외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 29.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 124인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 깊은 VLT/X-SHOOTER 분광법과 다중 파장 광도측정을 통해 z=6.593에서 관측된 첫 번째 이중피크 Lyman-alpha 발광체인 COLA1을 확인한다. 좁고 비대칭적인 선형형태와 파란 빛 대 빨간 빛의 복사율 비율(0.31) 및 낮은 H i 열량 밀도(N_Hi ≈ 10^17.0 cm⁻²)는 이온화 광자 탈출(15–30%)을 시사하며, 이는 고적색편이 우주에서 이러한 고적색편이 은하가 간접적으로 우주 재이온화에 기여하고 있음을 직접적으로 증명한다.

ABSTRACT

Distant luminous Lyman-alpha emitters (LAEs) are excellent targets for spectroscopic observations of galaxies in the epoch of reionisation (EoR). We present deep high-resolution (R=5000) VLT/X-SHOOTER observations, along with an extensive collection of photometric data of `COLA1', a proposed double peaked LAE at z=6.6 (Hu et al. 2016). We rule out that COLA1's emission line is an [OII] doublet at z=1.475 on the basis of i) the asymmetric red line-profile and flux ratio of the peaks (blue/red=$0.31\pm0.03$) and ii) an unphysical [OII]/Ha ratio ([OII]/Ha > 22). We show that COLA1's observed B-band flux is explained by a faint extended foreground LAE, for which we detect Lya and [OIII] at z=2.142. We thus conclude that COLA1 is a real double-peaked LAE at z=6.593, the first discovered at z>6, confirming the result from Hu et al. (2016). COLA1 is UV luminous (M$_{1500}=-21.6\pm0.3$), has a high equivalent width (EW$_{0}$~120 Å) and very compact Lya emission (r$_{50} = 0.3$ kpc). Relatively weak inferred Hb+[OIII] line-emission from Spitzer/IRAC indicates an extremely low metallicity of Z<1/20 Z$_{\odot}$ or reduced strength of nebular lines due to high escape of ionising photons. The small Lya peak separation of $220\pm20$ km/s implies a low HI column density and an ionising photon escape fraction of ~15-30 %, providing the first direct evidence that such galaxies contribute actively to the reionisation of the Universe at z>6. Based on simple estimates, we find that COLA1 could have provided just enough photons to reionise its own ~0.3 pMpc bubble, allowing the blue Lya line to be observed. However, we also discuss alternative scenarios explaining the detected double peaked nature of COLA1. Our results show that future high-resolution observations of statistical samples of double peaked LAEs at z>5 are a promising probe of the occurrence of ionised regions around galaxies in the EoR.

연구 동기 및 목표

• z≈6.6에서 관측된 이중피크 Lyman-alpha 발광체 후보인 COLA1의 본질을 진정한 고적색편이 발광선 은하임을 확인하기 위해.
• [O ii] 발광이 z=1.475에서 발생할 가능성을 배제하기 위해 복사율 비율 및 선비율 진단을 통해.
• Lyα 발광의 내재된 특성, 즉 Lyα 등화도, 등가폭, 밀집도, 이온화 광자 탈출율을 결정하기 위해.
• COLA1이 간성간 매질의 재이온화에 기여하는 데 기여하는 정도를 평가하기 위해, 이온화된 기포의 크기를 추정하기 위해.
• 고적색편이 LAEs에서의 이중피크 Lyα 프로파일이 재이온화 시기 동안 이온화 영역과 은하 피드백을 탐지하는 데 어떤 지표로 기능하는지 설정하기 위해.

제안 방법

• VLT/X-SHOOTER를 사용해 깊고 고해상도(R=5000) 분광법을 수행하여 COLA1의 고신호대잡음 스펙트럼을 확보하였다.
• z=1.475에서 [O ii] 이중선 발광과 일치하지 않는 비대칭성과 복사율 비율(파랑/빨강 = 0.31±0.03)을 가진 Lyα 선형형태를 분석하였다.
• COSMOS와 UltraVISTA의 광도 데이터를 사용하여 z=2.142에서 위치한 전경의 LAE가 B-대역 복사율에 Lyα 및 [O iii] 발광을 기여하고 있음을 확인하였다.
• H i 열량 밀도와 이온화 광자 탈출율을 추론하기 위해 다섯 매개변수를 가진 쉘 모델을 사용하여 Lyα 프로파일을 모델링하였다.
• UV 등화도(M₁₅₀₀ = -21.6±0.3)와 Spitzer/IRAC 색을 조합하여 낮은 중성도(Z<1/20 Z⊙)와 광자 탈출에 의해 감소된 난방선 발광을 추론하였다.
• 광자 예산과 재결합 시간 상수를 단순 가정하여 COLA1 주변 이온화된 기포의 크기를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=6.593에서 관측된 COLA1의 이중피크 Lyα 발광은 진정한 고적색편이 Lyman-alpha 발광선인가, 아니면 낮은 적색편이에서 발생하는 [O ii] 이중선과 같은 오염물일까?
• RQ2 COLA1의 내재된 Lyα 선형형태와 물리적 조건(예: H i 열량 밀도, 이온화 광자 탈출율)은 무엇인가?
• RQ3 COLA1가 단독으로 빛의 파랑 피크가 탈출할 수 있도록 충분히 큰 주변 영역을 이온화시킬 수 있었는가? 이온화된 기포의 크기는 얼마인가?
• RQ4 COLA1의 밀집도와 높은 등가폭을 가진 Lyα 발광은 재이온화 과정에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 고적색편이 LAEs에서의 이중피크 Lyα 프로파일은 재이온화 시기 동안 이온화 영역과 은하 피드백을 탐지하는 데 어떤 의미를 가지는가?

주요 결과

• COLA1는 z=6.593에서 진정한 이중피크 Lyman-alpha 발광체로 확인되었으며, 적색편이 z_Lyα,red = 6.593로, 복사율 비율 및 선비율 진단을 통해 z=1.475에서의 [O ii] 발광이 배제되었다.
• Lyα 선은 L_Lyα = 4.1±0.2×10⁴³ erg s⁻¹의 등화도와 EW₀,Lyα = 120⁺⁵⁰₋₄₀ Å의 고정프레임 등가폭을 가지며 강한 발광을 나타낸다.
• Lyα 발광은 매우 밀집되어 있으며, 반조도 반경 r₅₀,Lyα = 0.33⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁴ kpc로, 밀집된 별 형성 영역과 일치한다.
• 피크 간격은 220±20 km s⁻¹이며, 파랑 피크 복사율은 빨간 피크 복사율의 31%에 불과하여 비대칭 산란과 낮은 H i 열량 밀도(N_Hi = 10¹⁷.⁰±⁰.³ cm⁻²)를 나타낸다.
• 추정된 이온화 광자 탈출율은 약 15–30%이며, LyC 누출과 선형형태 모델링에 기반한 상한선은 약 50%까지 가능하다.
• COLA1는 약 0.3 pMpc(2.3 cMpc) 정도의 주변 영역을 이온화시킬 수 있었으며, 관측된 파랑 Lyα 피크의 탐지 가능성과 일치하지만, 외부 원천이 이온화 기포를 유지하는 데 필요할 수 있다.