[논문 리뷰] Inside the bubble: exploring the environments of reionisation-era Lyman-$α$ emitting galaxies with JADES and FRESCO

Joris Witstok, Renske Smit외 36명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 07.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

논문은 JWST/JADES 및 FRESCO 데이터를 이용해 z ~ 5.8–8에서의 17개의 Lyman-α 방출 은하의 환경을 조사하고, 이온화 버블 크기를 추정하며 재이온화 시 Lyα 전달에 주변 과밀도의 역할을 밝힌다.

ABSTRACT

We present a study of the environments of 17 Lyman-$α$ (Ly$α$) emitting galaxies (LAEs) in the reionisation era ($5.8 < z < 8$) identified by JWST/NIRSpec as part of the JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Unless situated in sufficiently (re)ionised regions, Ly$α$ emission from these galaxies would be strongly absorbed by neutral gas in the intergalactic medium (IGM). We conservatively estimate sizes of the ionised regions required to reconcile the relatively low Ly$α$ velocity offsets ($Δv_ ext{Ly$α$}<300\,\mathrm{km\,s^{-1}}$) with moderately high Ly$α$ escape fractions ($f_\mathrm{esc,\,Lyα}>5\%$) observed in our sample of LAEs, suggesting the presence of ionised hydrogen along the line of sight towards at least eight out of 17 LAEs. We find minimum physical `bubble' sizes of the order of $R_ ext{ion}\sim0.1$-$1\,\mathrm{pMpc}$ are required in a patchy reionisation scenario where ionised bubbles containing the LAEs are embedded in a fully neutral IGM. Around half of the LAEs in our sample are found to coincide with large-scale galaxy overdensities seen in FRESCO at $z \sim 5.8$-$5.9$ and $z\sim7.3$, suggesting Ly$α$ transmission is strongly enhanced in such overdense regions, and underlining the importance of LAEs as tracers of the first large-scale ionised bubbles. Considering only spectroscopically confirmed galaxies, we find our sample of UV-faint LAEs ($M_ ext{UV}\gtrsim-20\,\mathrm{mag}$) and their direct neighbours are generally not able to produce the required ionised regions based on the Ly$α$ transmission properties, suggesting lower-luminosity sources likely play an important role in carving out these bubbles. These observations demonstrate the combined power of JWST multi-object and slitless spectroscopy in acquiring a unique view of the early Universe during cosmic reionisation via the most distant LAEs.

연구 동기 및 목표

• 재이온화 시대의 은하에서의 Lyα 방출이 비균질한 IGM에서 이온화된 영역을 어떻게 추적하는지 모티브화한다.
• 관찰된 Lyα 특성과 IGM 중성화를 조정하기 위해 필요한 최소 이온화 버블(R_ion) 크기를 정량화한다.
• LAE가 Lyα 가시성을 촉진하는 대규모 과밀대에서 크게 위치해 있는지 평가한다.
• UV-약자 은하와 이웃들이 이온화 영역을 조각하는 데 어떤 역할을 하는지 평가한다.
• JWST 다광객체 및 슬리트리스 분광법의 초기 우주 연구 활용 가능성을 제시한다.

제안 방법

• JWST/NIRSpec 및 FRESCO에 의해 확인된 5.8 < z < 8의 17개의 LAEs 샘플을 구성한다.
• R1000 분광계 및 문헌에서 Lyα 속도 편이(Δv_Lyα)와 탈출 분수(f_esc,Lyα)를 추정한다.
• 패치형 재이온화 시나리오에서 Lyα 전달을 허용하는 최소 이온화 버블 크기(R_ion)를 추론한다.
• z ~ 5.8–5.9 및 z ~ 7.3에서 고스펙트럼으로 확인된 이웃 및 과밀대와 LAEs를 교차상관한다.
• Lyα 특성을 버블 크기로 변환하기 위해 평평한 ΛCDM 우주론과 고정 수소 분수를 채택한다.
• LAEs 주변의 이온화 버블 시각화를 제시하여 맥락을 제공한다.

Figure 1: Redshift histogram of spectroscopically confirmed galaxies over GOODS-S. Sources confirmed in JADES NIRSpec observations ( Sect. 2.1 ) are shown by the black histogram , while the red distribution is of those identified in FRESCO data ( Oesch et al. 2023 ) , discussed in Sect. 2.3 . EoR (

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재이온화 시대의 LAEs 주변에서 관찰된 Lyα 전파를 가능하게 하는 이온화 버블의 크기는 Δv_Lyα와 f_esc,Lyα에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 LAE가 대규모 과밀대 내에 위치하거나 근처에 있어 초기 버블 성장과 Lyα 가시성을 촉진하는가?
• RQ3 UV-약자 LAEs와 이웃들이 자체적으로 필요한 이온화 영역을 carving 하는 데 기여하는가?
• RQ4 JWST/NIRSpec 및 FRESCO 데이터가 먼 은하 LAEs의 재이온화 환경 매핑에서 지상 기반 surveys를 어떻게 보완하는가?

주요 결과

• 필요한 최소 이온화 영역의 크기는 패치형 재이온화 프레임워크에서 R_ion ~ 0.1–1 pMpc 정도이다.
• LAEs의 대략 절반이 FRESCO에서 보이는 대규모 은하 과밀대와 일치하여 과밀대에서 Lyα 전달이 증가함을 시사한다.
• UV-약자 LAEs(M_UV ≳ -20 mag) 및 그 직접 이웃들만으로는 필요한 이온화 영역을 자체적으로 생성하기 어려워, 버블 조각에 다른 저광도 소스의 기여가 있을 수 있음을 시사한다.
• Lyα 전달은 과밀대에서 강하게 증가하는 경향이 있어 LAEs가 초기 대규모 이온화 버블의 트레이서임을 강조한다.
• 본 연구는 JWST 다객체 및 슬리트리스 분광법이 가장 먼 LAEs를 통해 재이온화 시대의 환경을 조사하는 데 강력한 도구임을 보여준다.

Figure 2: On-sky distribution of spectroscopically confirmed galaxies in the vicinity of $z\gtrsim 5.8$ LAEs identified in JADES NIRSpec observations over GOODS-S. Sources found in the JADES, FRESCO, and MUSE HUDF surveys are respectively shown by hexagons, squares, and circles; larger grey squares