[논문 리뷰] Delayed Enrichment by Unseen Galaxies: Explaining the Rapid Rise in IGM CIV Absorption from z = 6-5

Roban Hultman Kramer, Zoltán Haiman외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 21.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 39인용 수 3

한 줄 요약

논문은 이온화된 광자 생성과 이온화된 매질(IGM)에서 감지 가능한 C IV 흡수 간의 0.4–0.7 Gyr 지연이, 은하 외부 유동에 의해 약 100 kpc 거리로 탄소가 운반됨으로써 발생하며, 이는 z=6에서 z=5로의 C IV 흡수자기 밀도의 급격한 증가를 설명한다. 이는 재이온화에 필요한 이온화 광자 수가 부족하다는 문제와 별 형성 속도보다 빠른 C IV 성장 문제를 모두 해결한다. 이 지연은 이온화 효율성이나 금속 수율을 수정할 필요 없이 관측 결과와 표준 모델을 조율한다.

ABSTRACT

In the near future, measurements of metal absorption features in the intergalactic medium (IGM) will become an important constraint on models of the formation and evolution of the earliest galaxies, the properties of the first stars, and the reionization and enrichment of the IGM. The first measurement of a metal abundance in the IGM at a redshift approaching the epoch of reionization already offers intriguing hints. Between z=5.8 and 4.7 (a 0.3 Gyr interval only 1 Gyr after the big bang), the measured density of CIV absorbers in the IGM increased by a factor of ~ 3.5 (Ryan-Weber et al. 2009; Becker, Rauch & Sargent 2009). If these values prove to be accurate, they pose two puzzles: (1) The total amount of CIV at z=5.8 implies too little star formation to reionize the IGM by z=6 or to match the WMAP electron scattering optical depth (tau). (2) The rapid growth from z = 6-5 is faster than the buildup of stellar mass or the increase in the star formation rate density over the same interval. We show that a delay of ~ 0.4-0.7 Gyr between the instantaneous production of ionizing photons and the later production of metal absorption features (added to the delay due to stellar lifetimes) can provide the full explanation for both puzzles. We calculate the delay in metal production due to finite stellar lifetimes alone and find that it is too short to explain the rapid CIV density increase. The additional delay could naturally be explained as the result of ~ 200 km/s outflows carrying carbon to distances of ~ 100 kpc, the typical distance between galaxies and CIV absorbers in enrichment simulations, and the typical outflow or absorption region scale observed at z ~ 2-3.

연구 동기 및 목표

• z≈6–5에서 관측된 C IV 흡수 증가와 예상되는 별 형성률 간의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• z=5.8에서의 총 C IV 농도가 z=6까지 IGM를 재이온화할 수 있는 이온화 광자 생산량이 부족하다는 점을 설명하기 위해.
• 동일한 적색편이 간격 동안 별 질량 또는 별 형성률 밀도보다 C IV 흡수자기 밀도가 더 빠르게 증가하는 이유를 설명하기 위해.
• 초기 우주에서 이온화 광자 생성과 대비하여 금속 확산이 지연되는 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 외부 유동과 유한한 운반 시간 스케일을 활용하여 IGM 금속 농도의 급격한 진화를 검증 가능한 방식으로 설명하기 위해.

제안 방법

• 은하 빛의 세기 함수 역사에 기반해 이온화 광자 및 금속 생성을 시간에 따라 추적하는 재이온화 및 금속 확산 모델링.
• 유한한 항성 수명에 기인한 지연을 계산하고 관측된 C IV 상승 시간 스케일과 비교.
• 약 200 km/s의 은하 외부 유동을 통해 탄소가 약 100 kpc 거리까지 운반되는 물리적 지연 메커니즘 도입. 이는 관측된 IGM 흡수자기 척도와 일치.
• 우주론적 시뮬레이션과 EnrichPy 패키지를 사용해 IGM 내 금속 운반 및 이온화 상태 진화 모델링.
• 이중상태 모델 적용: 즉각적인 이온화 광자 생성 후 외부 유동에 의한 지연된 금속 확산.
• WMAP 광학적 두께에서의 재이온화 제약 조건과 관측된 C IV 흡수자기 밀도 진화에 대한 모델 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=5.8에서 z=4.7로의 C IV 흡수자기 밀도가 약 3.5배 증가하는 이유는, 별 질량 또는 별 형성률 밀도의 축적보다 더 빠르게 증가하는가?
• RQ2 z=5.8에서의 총 C IV 농도는 z=6까지 IGM를 재이온화할 수 있는 이온화 광자 생산량이 부족하다는 점을 시사하며, WMAP 광학적 두께와 모순된다.
• RQ3 이온화 광자 생성과 대비하여 C IV와 같은 금속 흡수 특징의 출현이 지연되는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 약 200 km/s의 외부 유동이 탄소를 충분히 멀리 IGM로 운반하여 관측된 C IV 성장 시간 스케일을 설명할 수 있는가?
• RQ5 C II, Si II, Si III 등의 다중 이온화 상태 관측을 통해 이온화에 의한 진화와 외부 유동 메우기 요인에 의한 진화를 어떻게 구별할 수 있는가?

주요 결과

• z=6에서 z=5로의 C IV 흡수자기 밀도 급증을 설명하기 위해 이온화 광자 생성과 감지 가능한 C IV 흡수 간에 0.4–0.7 Gyr의 지연이 필요하다.
• 유한한 항성 수명에 기인한 지연만으로는 관측된 C IV 진화를 설명하기에 너무 짧으며, 심한 초기 질량 함수를 가진 경우에도 마찬가지다.
• 약 200 km/s의 은하 외부 유동은 필요한 시간 스케일 내에 탄소를 80–140 kpc 거리까지 운반할 수 있으며, 이는 은하와 C IV 흡수자기 간의 평균 간격과 일치한다.
• 이 외부 유동 기반 지연은 이온화 효율성이나 금속 수율을 수정할 필요 없이 재이온화 및 C IV 밀도 문제를 자연스럽게 설명한다.
• C II, Si II, Si III, Si IV 흡수자기 관측을 통해 이온화에 의한 진화와 외부 유동 메우기 요인에 의한 진화를 구별할 수 있다.
• 미래의 다중 이온화 상태에서의 금속 농도 측정은 IGM 금속 농도가 우주의 별 형성 역사에 따라 따라가는지, 아니면 운반 또는 이온화 효과로 인해 벗어나는지를 밝혀낼 수 있다.