[논문 리뷰] Implications of the Lyman alpha Emission Line from a Candidate z=10 Galaxy

Renyue Cen, Zoltán Haiman외 1명|ArXiv.org|2004. 03. 17.

Advanced Measurement and Detection Methods인용 수 10

한 줄 요약

논문은 후보 z=10 은하의 대칭적인 라이만-알파 방출선을 조사하며, 일반적으로 IGM 흡수로 인한 비대칭성과는 달리, 이 선이 비정상적으로 대칭적인 이유는 주변 기체와 비교해 은하가 최소 35 km/s 이상 뒤로 물러나고 있기 때문이라고 제안한다. 이 속도 이동은 군 또는 은하단 환경에서만 가능하며, 이는 전체적으로 중성인 IGM에서도 선이 대칭을 유지할 수 있음을 시사한다. 즉, 이 은하는 고립된 은하가 아니라 더 큰 시스템의 일부일 가능성이 높다.

ABSTRACT

The recently discovered z=10 galaxy (Pello et al 2004) has a strong Lyman alpha emission line that is consistent with being surprisingly symmetric, even given the relatively poor quality of its spectrum. The blue wing of a Lyman alpha line originating at high redshift should be strongly suppressed by resonant hydrogen absorption along the line of sight, an expectation borne out by the observed asymmetric shapes of the existing sample of Lyman alpha emitting sources at lower redshifts (3< z < 6.7). Absorption on the blue side of the line of the Pello et al. source could be reduced if the intergalactic medium (IGM) in the vicinity of the galaxy is highly ionized, but we show that this requires an unrealistically high ionizing emissivity. We suggest instead that the Lyman alpha emitting gas be receding relative to the surrounding gas with a velocity of >= 35km/s, a large velocity that is plausible only if the galaxy is part of a larger system (group of galaxies) with a velocity dispersion >= 35km/s. We find that with this velocity shift, the observed strength and shape of the line is still consistent with the galaxy being surrounded by its own Stromgren sphere embedded in a fully neutral IGM. More generally, we predict that at any given redshift, the bright Lyman alpha emitters with broader lines would exhibit stronger asymmetry than fainter ones. Bright galaxies with symmetric Lyman alpha lines may be signposts for groups and clusters of galaxies, within which they can acquire random velocities comparable to or larger than their linewidths.

연구 동기 및 목표

• 후보 z=10 은하의 대칭적인 라이만-알파 방출선 기원을 이해하기 위해, IGM 흡수로 인한 비대칭성이 예상되는 것과는 다르게 대칭성을 보이는 이유를 밝히는 것.
• 관측된 선 대칭성이 고적색편이에서 중성 인터갈락티크 매질(IGM)과도 일치할 수 있는지 평가하는 것.
• 방출 가스와 주변 IGM 간의 고속 이동이 선 프로파일에 어떤 영향을 미치며, 이는 은하의 환경에 어떤 의미를 갖는지 규명하는 것.
• 관측된 선 특성이 z=10에서 IGM의 중성율을 제약하는지 평가하는 것.
• 대칭적인 라이만-알파 선을 통해 고적색편이 은하를 탐지하고, 군 또는 은하단 환경을 식별하는 데의 함의를 탐색하는 것.

제안 방법

• 저자들은 선 대칭성을 수량화하기 위해 유량 비율 R = L_b / L_r 를 정의하며, 여기서 L_b 와 L_r 은 라이만-알파 선의 파란쪽과 빨간쪽 날개의 유량이다.
• 관측된 스펙트럼의 오차를 고려해 R 의 불확실성을 추정하기 위해 오차 전파를 사용하며, 개별 픽셀의 노이즈를 반영한다.
• 공명 산란과 덤핑 날개의 영향을 포함한 복사전달 모델을 사용해 중성 IGM 을 통과하는 라이만-알파 선 프로파일을 모델링한다.
• 방출 가스와 주변 IGM 간의 다양한 상대 속도를 시뮬레이션하여 속도 이동이 대칭성에 어떤 영향을 미치는지 테스트한다.
• Pello 등 (2004) 의 관측 스펙트럼과 모델 예측을 비교하며, 감쇠와 스펙트럼 해상도를 보정한다.
• 관측된 속도 이동을 지지하기 위해 필요한 이온화 볼륨과 홀로 질량을 추정하며, 이를 군 규모의 구조와 연결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 z=10 은하의 라이만-알파 방출선은 IGM 흡수로 인한 블루 쪽 억제가 예상되는 것과는 달리 대칭적으로 관측되는가?
• RQ2 관측된 선 대칭성을 재현하기 위해 방출 가스와 주변 IGM 간의 속도 이동은 어느 정도여야 하는가?
• RQ3 관측된 선 프로파일은 z=10 에서 전체적으로 중성인 IGM 내에 존재하는 은하와 일치할 수 있는가?
• RQ4 이러한 속도 이동을 일으키기 위해 필요한 환경 조건(예: 군 또는 은하단 소속)은 무엇인가?
• RQ5 이러한 대칭적인 라이만-알파 선을 통해 고적색편이 은하를 군 내에서 식별할 경우 통계적으로 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 관측된 라이만-알파 선의 대칭성은 방출 가스가 주변 IGM 에서 최소 35 km/s 이상 후퇴하고 있음을 요구한다.
• 35 km/s 이상의 속도 이동은 전체적으로 중성인 IGM 에서도 대칭적인 프로파일을 설명할 수 있으며, 이는 선의 감쇠가 약 30배 정도임을 의미한다.
• 필요한 속도 이동은 은하가 속도 분산 ≥35 km/s 를 갖는 더 큰 시스템의 일부일 때 가장 타당하게 설명된다.
• 모델은 z=10 에서 전체적으로 중성인 IGM 와 일관되며, 불확실성으로 인해 중성율에 대한 강한 제약는 없지만 여전히 타당하다.
• 대칭적인 선을 보이는 밝은 라이만-알파 방출 은하들은 일반적으로 이러한 속도 이동이 흔한 군 또는 은하단의 존재를 짐작할 수 있는 지표가 될 수 있다.
• 이러한 홀로의 수는 약 2×10^10 M☉ 의 질량에서 조사 체적 내 약 1개 정도로 추정되며, 이는 상황의 타당성을 뒷받침한다.