[논문 리뷰] Dark-ages reionization and galaxy formation simulation -- XXI. Constraining the evolution of the ionizing escape fraction

Simon J. Mutch, Bradley Greig외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 13.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고적색도 은하에서 적색도 및 헬로 질량에 따라 의존하는 이온화 광자 탈출율을 공동으로 제약하기 위해 베이지안 프레임워크를 사용한 Meraxes 반분석적 은하 형성 모델을 사용한다. 저질량 헬로($M_\text{halo} \lesssim 10^9\,M_\odot$)는 높은 탈출율($18\pm5\%$)을 가지며, 더 질량이 큰 헬로($M_\text{halo} \gtrsim 10^9\,M_\odot$)는 낮은 탈출율($5\pm2\%$)을 가지며, 이는 별질량 $M_\star \sim 10^7\,M_\odot$에서 발생하는 전이점으로, 거의 적색도에 의존하지 않는다.

ABSTRACT

The fraction of ionizing photons that escape their host galaxies to ionize hydrogen in the inter-galactic medium (IGM) is a critical parameter in analyses of the reionization era. In this paper we use the Meraxes semi-analytic galaxy formation model to infer the mean ionizing photon escape fraction and its dependence on galaxy properties through joint modelling of the observed high redshift galaxy population and existing constraints on the reionization history. Using a Bayesian framework, and under the assumption that escape fraction is primarily related to halo mass, we find that the joint constraints of the UV luminosity function, CMB optical depth, and the Ly$α$ forest require an escape fraction of $(18\pm5)\%$ for galaxies within haloes of $M\lesssim10^{9}$M$_\odot$ and $(5\pm2)\%$ for more massive haloes. In terms of galaxy properties, this transition in escape fraction occurs at stellar masses of $M_\star\sim10^7$M$_\odot$, nearly independent of redshift. As a function of redshift, reionization is dominated by the smaller $M_\star\lesssim10^7$M$_\odot$ galaxies with high escape fractions at $z\gtrsim6$ and by the larger $M_\star\gtrsim10^7$M$_\odot$ galaxies with lower escape fractions at $z\lesssim6$. Galaxies with star formation rates of $10^{-2.5}$M$_\odot$yr$^{-1}$ to $10^{-1.5}$M$_\odot$yr$^{-1}$ provide the dominant source of ionizing photons throughout reionization. Our results are consistent with recent direct measurements of a $\sim5\%$ escape fraction from massive galaxies at the end of reionization and support the picture of low mass galaxies being the dominant sources of ionizing photons during reionization.

연구 동기 및 목표

• 재이온화 시대 동안 은하에서의 이온화 광자 탈출율의 진화를 제약하기 위해.
• 탈출율이 헬로 질량, 별질량, 항성 형성률과 같은 은하 성질에 어떻게 의존하는지 규명하기 위해.
• 반분석적 모델을 사용하여 관측된 고적색도 은하 집단과 재이온화 역사를 일치시키기 위해.
• 물리적 가정 하에 가장 가능성이 높은 탈출율 값과 그 불확실성을 추론하기 위해 베이지안 프레임워크를 사용하기 위해.

제안 방법

• Meraxes 반분석적 은하 형성 모델을 사용하여 적색도 $z \sim 4-8$ 범위에서 은하 집단을 시뮬레이션하며, 항성 형성, 피드백 및 헬로 성장을 포함한다.
• 모델은 은하 진화를 반수치적 재이온화 계산과 결합하여, 시간에 따라 간성간 매질(IGM)의 이온화 상태를 추적한다.
• 탈출율에 대해 유연한 헬로 질량 의존성 파arametrization을 가정하고, 베이지안 프레임워크 내에서 중첩 샘플링을 통해 자유 매개변수를 제약한다.
• 세 가지 주요 관측 제약 조건에 기반하여 모델을 校정한다: 고적색도 UV 광도함수, Planck에서의 CMB 투과도, 라이아 포아르 전송.
• 시뮬레이션은 Tiamat N-body 어둠성 물질 헬로 카탈로그를 사용하며, 해상도가 제한되어 있지만 별질량 예산에 거의 영향을 주지 않으며($z \lesssim 12$에서 $<35\%$ 손실).
• 통계적 추론은 탈출율 매개변수의 전체 사후 분포를 탐색하기 위해 ultranest 샘플러를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색도 은하에서 평균 이온화 광자 탈출율은 얼마이며, 헬로 질량에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 탈출율이 높은 값에서 낮은 값으로 전이되는 별질량은 얼마이며, 이 전이점은 적색도에 의존하는가?
• RQ3 재이온화 기간 동안 이온화 광자 예산을 주도하는 은하 집단은 질량 또는 항성 형성률 측면에서 어떤가?
• RQ4 UV 광도함수, CMB 투과도 및 라이아 포아르의 공동 제약가 관측된 재이온화 역사를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 최근에 $z \sim 6$에서 거대 은하에서 직접 측정된 탈출율과 유추된 탈출율은 일치하는가?

주요 결과

• 헬로 질량이 $M_\text{halo} \lesssim 10^9\,M_\odot$인 은하에서는 탈출율이 $18\pm5\%$로 제약되며, 이는 저질량 시스템에서 이온화 복사가 효율적으로 탈출함을 시사한다.
• 더 질량이 큰 헬로($M_\text{halo} \gtrsim 10^9\,M_\odot$)에서는 탈출율이 $5\pm2\%$로 훨씬 낮으며, 저질량 시스템보다 유의미하게 낮다.
• 높은 탈출율과 낮은 탈출율 사이의 전이점은 별질량 $M_\star \sim 10^7\,M_\odot$에서 발생하며, 이 전이점은 거의 적색도에 의존하지 않는다.
• 재이온화는 $z \gtrsim 6$에서 높은 탈출율을 가지는 저질량 은하($M_\star \lesssim 10^7\,M_\odot$)에 의해 주로 주도되며, $z \lesssim 6$에서는 더 질량이 큰 은하가 주도한다.
• 항성 형성률이 $10^{-2.5}$에서 $10^{-1.5}\,M_\odot\,\text{yr}^{-1}$ 사이인 은하가 재이온화 전반에 걸쳐 이온화 광자의 주요 공급원을 차지한다.
• 최근에 $z \sim 6$에서 거대 은하에서 직접 측정된 약 $5\%$의 탈출율과 일치하며, 이는 저질량 은하가 주요 이온화자 역할을 한다는 것을 뒷받침한다.