[논문 리뷰] Hot Halos around High Redshift Protogalaxies: Observations of O VI and N V Absorption in Damped Lyman Alpha systems

Andrew J. Fox, Patrick Petitjean외 2명|CERN Bulletin|2007. 01. 15.

Scientific Research and Discoveries인용 수 52

한 줄 요약

이 연구는 VLT/UVES 데이터를 사용하여 z = 2.1–3.1 범위의 35개의 덤프드 라이만-알파(DLA) 시스템에서 O VI 및 기타 고이온 흡수를 체계적으로 탐색한 최초의 연구로, 12개 시스템에서 O VI를 검출하였다. 넓은 O VI는 충돌성 이온화된 고온 플라즈마 상을, 좁은 C IV/Si IV는 난방된 광이온화 상을 나타내며, 고이온 성분이 초신성에 의해 유도된 외출류와 관련이 있음을 시사한다. 이는 고온의 대류권이 고적색적 프로토은하에서 이들의 바리온 질량의 >40%와 중요한 금속 비율을 수반할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

(ABRIDGED) We present a study of the highly ionized gas (plasma) associated with damped Lyman-alpha (DLA) systems at z=2.1-3.1. We search for O VI absorption and corresponding Si IV, C IV, and N V in a Very Large Telescope/Ultraviolet-Visible Echelle Spectrograph (VLT/UVES) sample of 35 DLA systems with data covering O VI at S/N>10. We report twelve DLAs (nine intervening and three at <5000 km/s from the QSO redshift) with detections of O VI absorption. There are no clear O VI non-detections, so the incidence of O VI in DLAs is between 34% (12/35) and 100%. Analysis of the line widths together with photoionization modelling suggests that two phases of DLA plasma exist: a hot, collisionally ionized phase (seen in broad O VI components), and a warm, photoionized phase (seen just in narrow C IV and Si IV components). We find tentative evidence (98% confidence) for correlations between the DLA metallicity (measured in the neutral gas) and high-ion column density, and between the DLA metallicity and high-ion line width, as would be expected if supernova-driven galactic outflows rather than accretion produced the high ions. Using conservative ionization corrections, we find lower limits to the total hydrogen column densities in the hot (O VI-bearing) and warm (C IV-bearing) phases in the range log N(Hot H II) >19.5 to >21.1, and log N(Warm H II) >19.4 to >20.9. On average, the hot and warm phases thus contain >40% and >20% of the baryonic mass of the neutral phase in DLAs, respectively. If the temperature in the O VI phase is ~10^6 K and so f(O VI)=O VI/O<<0.2 the plasma can make a significant contribution to the metal budget at high redshift.

연구 동기 및 목표

• 현대 디스크 은하의 핵심 전구로 여겨지는 고적색 덤프드 라이만-알파(DLA) 시스템에서 고온의 고이온 플라즈마의 존재 및 물리적 성질을 조사하기 위해.
• 관측된 O VI 및 기타 고이온 흡수(C IV, Si IV, N V)가 광이온화인지 충돌성 이온화인지를 구분하여, 응축과 피드백의 기원을 식별하기 위해.
• DLA 내에서 고온 및 난방된 이온화 상이 총 바리온 및 금속 함량에 기여하는 정도를 정량화하여, z ≈ 2에서 관측된 금속의 부족 문제를 해결하기 위해.
• 초신성에 의해 유도된 외출류의 증거로서, DLA 금속 농도와 고이온 열량 밀도 또는 운동학적 성질 간의 상관관계를 테스트하기 위해.

제안 방법

• O VI가 1031–1037 Å 범위에서 35개의 DLA 시스템(로그 N(H I) ≥ 20.3)에서 고신호 대비 잡음 비율이 10 이상인 고해상도 VLT/UVES 스펙트럼 분석.
• VPFIT 및 CLOUDY 광이온화 모델을 사용하여 이온 열량 밀도를 측정하고 이온화 평형을 검증하며, 보수적인 질량 추정을 위해 f_OVI < 0.2 및 f_CIV < 0.3의 이온화 분율을 고려.
• O VI, C IV, Si IV, N V 선형형태를 비교하여 공존성 및 상의 구조를 추론하며, 비선형적 N_CIV/N_OVI 비율이 다중 상의 존재를 뒷받침하는 증거로 간주.
• 고이온 성분과 중성 기체(H I) 간의 속도 이격을 측정하여 유입 또는 유출를 추론하며, 최대 ±400 km s⁻¹의 이격이 관측됨.
• 스피어만의 순위 상관관계를 사용한 통계적 분석을 통해 DLA 금속 농도([Z/H]_Neut), O VI 열량 밀도(log N_OVI), C IV 속도 폭(Δv_CIV) 간의 관계를 검증.
• 이온화 보정 및 중간 금속 농도 가정을 통해 고온(O VI를 함유한) 및 난방된(고온 C IV를 함유한) 상의 총 수소 열량 밀도를 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색 DLA 시스템에서 O VI 흡수의 발생 빈도는 얼마이며, DLA 중 얼마나 많은 비율이 검출 가능한 고온 플라즈마를 포함하고 있는가?
• RQ2 관측된 고이온(O VI, C IV, Si IV, N V)은 광이온화인지 충돌성 이온화인지이며, 이는 기체의 열적 및 역학적 상태에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ3 DLA 내 고온 및 난방된 이온화 상의 총 바리온 및 금속 함량은 얼마이며, 중성 기체와 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ4 DLA 금속 농도와 고이온 흡수 성질 사이에 물리적 연관성이 있으며, 이는 고온 플라즈마의 피드백 기원을 지지하는가?
• RQ5 고이온과 중성 기체 간의 관측된 운동학적 이격은 외출류 또는 유입으로 설명될 수 있으며, 그 속도 범위는 어느 정도인가?

주요 결과

• 35개 DLA 시스템 중 12개에서(O VI 검출 비율 34%에서 100%까지), O VI 흡수가 확인되었으며, 명백한 비검출 사례가 없어 고적색 프로토은하에서 고온 플라즈마의 높은 퍼짐을 시사한다.
• 가용 데이터가 있는 모든 시스템에서 C IV와 Si IV가 검출되었으며, N V는 N V 커버리지가 있는 9개 시스템 중 3개에서 검출되어 다상 플라즈마의 구조와 일관된다.
• O VI 선형형태는 넓고 좁은 C IV/Si IV 성분과 일치하지 않으며, CLOUDY 모델링은 단일 상 광이온화 해법을 배제하여, 고온의 충돌성 이온화 상(O VI, N V)과 난방된 광이온화 상(C IV, Si IV)으로 구성된 이중 상 모델을 지지한다.
• 고이온 성분과 H I 흡수 사이에 최대 ±400 km s⁻¹의 속도 이격이 관측되어 유입 또는 유출를 시사하며, C IV 흡수선 폭은 일반적으로 중성 기체의 두 배이다.
• 98% 신뢰수준에서 DLA 금속 농도([Z/H]_Neut)와 log N_OVI, Δv_CIV 사이에 정적 상관관계가 확인되어 고이온의 초신성에 의해 유도된 외출류 기원을 지지한다.
• 보수적인 이온화 보정을 통해 고온 상의 총 수소 열량 밀도에 대한 하한값(log N_HII^Hot)이 >19.5에서 >21.1까지, 난방된 상(log N_HII^Warm)은 >19.4에서 >20.9까지 추정되었으며, 이는 고온 상이 중성 기체의 바리온 질량의 최소 40% 이상, 난방된 상이 최소 20% 이상을 차지함을 시사한다. 만약 f_OVI ≪ 0.2 이고 T ≈ 10⁶ K일 경우, O VI 상은 z ≈ 2에서 금속 예산의 >1%를 기여할 수 있다.