[논문 리뷰] Evolution of the Lyman-α emitting fraction and UV properties of lensed star-forming galaxies between 2.9 < z < 6.7

Ilias Goovaerts, R. Pelló외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 28.

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한 줄 요약

이 연구는 네 개의 은하 클러스터에서의 강한 중력 렌즈 효과를 활용하여 2.9 < z < 6.7 범위의 어두운 라이만-알파 발광체(Lyman-α emitters, LAEs)와 라이만 브레이크 은하(Lyman Break Galaxies, LBGs)를 탐색하며, M1500 ≈ −12 및 log(LLyα) ≈ 39 erg s⁻¹ 수준에 도달한다. 연구 결과, LAE 비율(XLAE)의 이중성 진화가 드러났다: UV 빛이 강한 은하는 z ≈ 6에 가까워질수록 XLAE가 증가하는 반면, UV가 어두운 은하는 XLAE가 감소하는 경향을 보이며, 재이온화 영역 내에서 저등급 등화수준(EW)의 UV 빛이 강한 LAE 집단이 존재할 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Faint galaxies are theorised to have played a major role in reionising the Universe. Their properties as well as the Lyman-α emitter fraction, could provide useful insight into this epoch. We use four galaxy clusters from the Lensed Lyman-alpha MUSE Arcs Sample (LLAMAS) which also have deep HST photometry to select a population of intrinsically faint Lyman Break Galaxies (LBGs) and Lyman-alpha Emitters (LAEs). We study the interrelation of these two populations, their properties, and the fraction of LBGs that display Lyman-alpha emission. The use of lensing clusters allows us to access an intrinsically faint population, the largest sample collected for this purpose: 263 LAEs and 972 LBGs between redshifts of 2.9 and 6.7, Lyman-alpha luminosities between 39.5 &lt; log(L)(erg/s) &lt; 42 and absolute UV magnitudes between -22 &lt; M1500 &lt; -12. We find a redshift evolution of the Lyman-alpha emitter fraction in line with past results, with diminished values above z = 6, taken to signify an increasingly neutral intervening IGM. Inspecting this redshift evolution with different limits on Lyman-alpha equivalent width (EW) and M1500 we find that the Lyman-alpha emitter fraction for the UV-brighter half of our sample is higher than the fraction for the UV-fainter half, a difference which increases at higher redshift. This is a surprising result and can be interpreted as a population of low Lyman-alpha EW, UV-bright galaxies situated in reionised bubbles. This result is especially interesting in the context of similar, UV-bright, low Lyman-alpha EW objects recently detected around the epoch of reionisation. We extend to intrinsically fainter objects the previously observed trends of LAEs among LBGs as galaxies with high star-formation rates and low dust content, as well as the strongest LAEs having in general fainter UV magnitudes and steeper UV slopes.

연구 동기 및 목표

• 어두운 고적색도 은하에서 라이만-알파 발광체 비율(XLAE)의 진화를 조사하는 것.
• 내재적으로 어두운 성간 형성 은하에서 라이만-알파 복사, UV 휘도, 먼지 함량 간의 상호작용을 분석하는 것.
• 렌즈 효과를 활용한 표본을 통해 어두운 은하가 간행 재이온화에 미치는 역할을 평가하는 것.
• 연속스펙트럼로 감지되지 않는 LAEs의 존재를 탐색하고, 전체 LAE 집단에 미치는 기여도를 조사하는 것.

제안 방법

• LLAMAS 표본의 네 개 강한 렌즈 은하 클러스터에서 허블 우주망원경(Hubble Space Telescope, HST)의 깊은 광도 측정과 MUSE 적층장치 스펙트로스코피(Integral Field Spectroscopy, IFS)를 활용하였다.
• 2.9 < z < 6.7 범위에서 총 972개의 LBGs와 263개의 LAEs를 식별하였으며, 라이만-알파 복사량은 log(LLyα) ≈ 39 erg s⁻¹ 수준까지 감지되었다.
• 연속스펙트럼 대응체가 있는 LAEs와 없는 LAEs를 별도로 정의하였고, 연속스펙트럼로 감지되지 않는 LAEs의 독립된 집단을 설정하였다.
• UV 빛이 강한(M1500 ≤ −18) 및 UV가 어두운(M1500 > −18) 반으로 샘플을 나누어 XLAE 진화를 비교하였다.
• 등화수준(EWLyα)과 UV 기울기(β)를 측정하여 먼지 함량과 항성 형성률을 평가하였다.
• 이온화 복사의 탈출율을 조사하기 위해 fesc,UV와 fesc,Lyα를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z = 2.9에서 z = 6.7 사이의 어두운 렌즈 효과를 받은 성간 형성 은하에서 LAE 비율(XLAE)이 적색도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 어두운 은하에서 UV 휘도(M1500), 라이만-알파 등화수준(EWLyα), XLAE 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 M1500 > −16 범위에서 연속스펙트럼로 감지되지 않는 라이만-알파 발광체의 집단이 유의미하게 존재하는가? 그리고 이들의 전체 LAE 집단에 대한 기여도는 어떠한가?
• RQ4 UV 빛이 강한 은하 집단과 UV가 어두운 은하 집단 간의 XLAE 진화는 어떻게 다를까?
• RQ5 이온화 복사의 상대적 탈출율(fesc,UV 대비 fesc,Lyα)은 어두운 은하계에서 먼지 함량과 은하 진화에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• UV 빛이 강한 샘플의 XLAE는 z ≈ 6에 가까워질수록 증가하는 반면, UV가 어두운 샘플의 XLAE는 감소하며, 가장 고적색도 영역에서 통계적으로 유의미한 차이를 보였다.
• UV 빛이 강한 집단과 UV가 어두운 집단 간의 XLAE 진화 차이에서, 재이온화 영역 내에서 저등급 등화수준(EW)의 UV 빛이 강한 LAE 집단이 존재할 가능성이 확인되었으며, 최근 재이온화 시기 주변에서의 탐지 결과와 일치한다.
• 25 Å의 등화수준 한계를 제거한 후에도 두 샘플 간 명확한 차이가 유지되어, 저등급 등화수준의 LAE가 UV 빛이 강한 은하에 선호적으로 존재함을 확인하였다.
• UV가 어두운 은하들은 평균적으로 더 큰 라이만-알파 등화수준(EWLyα)을 보이며, 이 경향은 M1500 ≈ −12 수준까지 계속될 가능성이 있다.
• UV 빛이 강한 샘플은 fesc,UV가 fesc,Lyα보다 높은 경향을 보이며, 이는 더 오래된, 더 먼지가 많고 화학적으로 더 진화된 집단임을 시사하지만, 어두운 은하의 경우 불확실성이 높다.
• 가장 깊은 HST 광도 측정에도 불구하고, M1500 > −16 범위에서 연속스펙트럼로 감지되지 않는 LAEs는 여전히 유의미한 비중을 차지하며, 향후 제임스 웹 우주망원경(James Webb Space Telescope, JWST)의 관측이 이들의 성질을 규명하는 데 필수적임을 시사한다.