[논문 리뷰] Cosmic Reionization after Planck: The Derived Growth of the Ionizing Background now matches the Growth of the Galaxy UV Luminosity Density

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 14인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 플랑크 위성의 광학적 두께 측정값과 활성은하핵, 고적도수 은하에서의 관측 제약 조건을 이용하여 z ≈ 6 이상에서의 간섭계 이온화 배경의 경험적 재구성을 수행한다. 이는 이온화 배경의 적색편이 진화가 은하의 UV 등급 밀도 진화와 높은 일치를 보이며, 은하가 간섭계 재이온화를 주도하는 것으로 강력히 지지함을 밝혀내지만, 활성은하핵/은하핵은 주요 기여원으로 배제된다.

ABSTRACT

Thomson optical depth measurements from Planck provide new insights into the reionization of the universe. To obtain new model-independent constraints on the properties of the ionizing sources, we determine the empirical evolution of the ionising background. We use a simple two-parameter model to map out the evolution in this background at z>~6 from the new Planck optical depth tau measurements and from the constraints provided by quasar absorption spectra and the prevalence of Ly-alpha emission in z~7-8 galaxies. We find the redshift evolution in the ionising background N_{ion} required by the observations to be dlog_{10} N_{ion}/dz(z=8)=-0.19_{-0.11}^{+0.09}, largely independent of the assumed clumping factor C_{HII} and entirely independent of the identity of the ionizing sources. The trend in N_{ion} is well-matched by the evolution of the galaxy UV-luminosity density (dlog_{10} rho_{UV}/dz=-0.11+/-0.04) to a magnitude limit >~-13 mag, suggesting that galaxies are the sources that drive the reionization of the universe. The role of galaxies is further strengthened by the conversion from the UV luminosity density to N_{ion}(z) being possible for physically plausible values of the escape fraction f_{esc}, the Lyman-continuum photon production efficiency xi_{ion}, and faint-end cut-off M_{lim} to the LF. Lastly, we use the inferred evolution in the ionizing background to estimate the z~10 UV luminosity density, finding this luminosity density to be 12_{-7}^{+21}x lower than at z~6, consistent with current measurements at z~10. Quasars/AGN appear to match neither the redshift evolution nor normalization of the ionizing background. This new approach of contrasting the inferred evolution of the ionising background with that of the galaxy UV luminosity density adds to the growing observational evidence that galaxies are the sources that drive the reionization of the universe.

연구 동기 및 목표

• 플랑크의 광학적 두께 측정값을 이용하여 z > 6에서의 간섭계 이온화 배경 진화에 대한 모델에 의존하지 않는 제약 조건을 유도하기 위해.
• 관측된 이온화 배경 진화가 은하의 UV 등급 밀도 진화와 일치하는지 테스트하기 위해.
• 은하와 활성은하핵/은하핵이 재이온화의 주요 기여원으로서의 가능성 여부를 그들의 등급 및 이온화 출력 진화를 비교함으로써 평가하기 위해.
• 유도된 이온화 배경 진화를 바탕으로 z ≈ 10에서의 UV 등급 밀도를 추정하기 위해.
• 유도된 이온화 배경이 탈출율 f_esc, 이온화 효율 ξ_ion, 등급 함수의 낮은 끝 절단값 M_lim 등의 물리적 매개변수와 일관된지 평가하기 위해.

제안 방법

• 플랑크가 측정한 투명도 두께(τ)를 이용하여 총 이온화 투과도를 제약하고 고적도수에서의 평균 이온화 배경 진화를 유도하기 위해.
• 활성은하핵 흡수 스펙트럼과 z ≈ 7–8 은하에서의 Lyα 방출 빈도를 적용하여 고적도수에서의 이온화 배경 진화를 고정하기 위해.
• 이온화 배경 N_ion(z)의 적색편이 진화를 z > 6 범위에서 원천 정체성이나 응집 인자에 의존하지 않는 이중 매개변수 모델로 매핑하기 위해.
• 유도된 N_ion(z)의 진화를 관측된 은하 UV 등급 밀도 ρ_UV(z)의 진화와 비교하여 은하가 주요 이온화 기여원임을 검증하기 위해.
• 물리적으로 타당한 f_esc, ξ_ion 및 등급 함수의 한계값 M_lim을 사용하여 UV 등급 밀도를 이온화 배경으로 변환하기 위해.
• 유도된 이온화 배경 진화를 바탕으로 z ≈ 10에서의 UV 등급 밀도를 추정하고 현재의 관측 제약 조건과 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z > 6에서 관측된 이온화 배경의 적색편이 진화가 은하의 UV 등급 밀도 진화와 일치하는가?
• RQ2 f_esc, ξ_ion 및 M_lim의 타당한 값들을 고려할 때, 유도된 이온화 배경 진화는 은하가 주요 이온화 기여원으로서 일관되게 설명될 수 있는가?
• RQ3 활성은하핵 또는 AGN는 관측된 이온화 배경의 정규화 및 적색편이 진화를 모두 충족하는가?
• RQ4 유도된 이온화 배경 진화를 바탕으로 z ≈ 10에서 예측되는 UV 등급 밀도는 얼마인가?
• RQ5 유도된 이온화 배경 진화는 응집 인자 C_HII 또는 이온화 원천의 성격에 대한 가정에서 얼마나 독립적인가?

주요 결과

• 이온화 배경의 적색편이 진화는 dlog₁₀N_ion/dz(z=8) = -0.19⁺⁰·⁰⁹₋₀·¹¹로 제약되며, 응집 인자나 원천 정체성에 거의 의존하지 않는다.
• 이 진화는 은하의 UV 등급 밀도 진화와 뛰어난 정량적 일치를 보이며, 이는 dlog₁₀ρ_UV/dz = -0.11 ± 0.04이며, 등급 한계 M > -13 mag까지 적용된다.
• 이온화 배경 진화와 UV 등급 밀도 진화 간의 일치는 은하가 간섭계 재이온화의 주요 주도자임을 강력히 지지한다.
• f_esc, ξ_ion 및 M_lim의 표준 값들을 사용한 UV 등급 밀도에서 이온화 배경으로의 변환은 물리적으로 타당하며, 은하 주도 재이온화 시나리오를 강화한다.
• 유도된 z ≈ 10에서의 UV 등급 밀도는 z ≈ 6보다 12⁻⁷⁺²¹ 배 낮게 추정되며, 현재의 관측 제약 조건과 일치한다.
• 활성은하핵과 AGN는 관측된 이온화 배경의 진화 및 정규화와 일치하지 않기 때문에 주요 기여원으로서 배제된다.