[논문 리뷰] Interstellar and Circumgalactic Properties of an Unseen $z=6.84$ Galaxy: Abundances, Ionization, and Heating in the Earliest Known Quasar Absorber

Robert A. Simcoe, Masafusa Onoue외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 20.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 FIRE 및 XShooter 분광법을 사용하여 z=7.54의 왜성성자 ULAS J1342의 스펙트럼에서 관측된 흡수선을 통해 z=6.84 은하의 간성간 및 은하주물질을 분석한다. 금속 농도가 낮고 온도가 높은 중성 기체를 확인하였으며, C IV나 Si IV가 검출되지 않아 이온화된 물질의 혼합이 극히 미미한 것으로 나타났다. 또한 C II* 미세구조선이 검출되어 CMB보다 더 높은 국소 가열원이 존재함을 시사한다. 결과적으로 금속 혼합이 제한된 초기 화학진화 단계임을 시사한다.

ABSTRACT

We analyze relative abundances and ionization conditions in a strong absorption system at z=6.84, seen in the spectrum of the z=7.54 background quasar ULAS J134208.10+092838.61. Singly ionized C, Si, Fe, Mg, and Al measurements are consistent with a warm neutral medium that is metal-poor but not chemically pristine. Firm non-detections of C IV and Si IV imply that any warm ionized phase of the IGM or CGM has not yet been enriched past the ultra-metal-poor regime (<0.001Z_{solar}), unlike lower redshift DLAs where these lines are nearly ubiquitous. Relative abundances of the heavy elements 794 Myr after the Big Bang resemble those of metal-poor damped Lyman Alpha systems at intermediate redshift and Milky Way halo stars, and show no evidence of enhanced [alpha/Fe], [C/Fe] or other signatures of yields dominated by massive stars. A detection of the CII* fine structure line reveals local sources of excitation from heating, beyond the level of photo-excitation supplied by the CMB. We estimate the total and [CII] cooling rates, balancing against ISM heating sources to develop an heuristic two-phase model of the neutral medium. The implied heating requires a surface density of star formation slightly exceeding that of the Milky Way but not at the level of a strong starburst. For a typical (assumed) NHI=10^{20.6}, an abundance of [Fe/H]=-2.2 matches the columns of species in the neutral phase. To remain undetected in C IV, a warm ionized phase would either need much lower [C/H]<-4.2 over an absorption path of 1 kpc, or else a very small absorption path (a few pc). While still speculative, these results suggest a significant reduction in heavy element enrichment outside of neutral star forming regions of the ISM, as would be expected in early stages of galactic chemical evolution.

연구 동기 및 목표

• z=6.84 은하의 간성간 및 은하주물질 특성을 왜성성자 흡수선을 통해 규명하기.
• 중성 기체 상에서 C, Fe, Si, Al, Mg의 상대 농도를 측정하기.
• 이 시기의 간성간물질에서 이온화 상태 및 가열 메커니즘을 조사하기.
• C IV 및 Si IV 검출 불가를 고려할 때, 따뜻한 이온화된 상의 존재 여부와 금속 농도를 평가하기.
• 은하간물질을 이중상 모델로 간주하고, 별 형성률과 냉각률을 제약 조건으로 설정하기.

제안 방법

• 마젤란 및 VLT 망원경에 장착된 FIRE 및 XShooter 분광계를 사용한 고해상도 분광법.
• 관측된 흡수선에서 열량 밀도 및 농도 비율을 유도하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로 적합법을 적용.
• C II* 1334.53 Å의 미세구조선을 사용해 CMB 광자 자극 이외의 국소 가열원을 추론.
• Cloudy 광이온화 모델을 적용하여 이온화 조건과 C IV, Si IV의 열량 밀도 예측을 탐색.
• 냉각(주로 [C II] 및 총 냉각률을 통해)과 별 형성에 의한 가열을 균형 잡은 히우리스틱 이중상 은하간물질 모델.
• 농도 결정의 기초로 일반적인 HI 열량 밀도 10^20.6 cm⁻²를 가정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이 z=6.84 흡수체의 중성 기체에서 C, Fe, Si, Al, Mg의 상대 농도는 어떻게 되는가?
• RQ2 강한 저이온화선이 관측됨에도 불구하고 C IV 및 Si IV 선이 검출되지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ3 C II* 미세구조선의 자극 기원은 무엇이며, 이는 국소 가열에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 관측된 이온화 및 농도 패atters는 저적색 이동 DLA 및 은하수 허브성 별과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 C IV 및 Si IV의 검출 불가로 인해 따뜻한 이온화된 상의 금속 농도와 경로 길이에 대해 어떤 제약 조건이 도출되는가?

주요 결과

• 중성 기체의 금속 농도는 [Fe/H] = -2.2로, 금속 농도가 낮지만 청정 환경은 아님을 시사한다.
• 상대 농도는 금속 농도가 낮은 DLA 및 은하수 허브성 별과 유사하며, [α/Fe]나 [C/Fe]의 증가된 증거는 없음.
• C II* 선의 검출은 CMB보다 더 높은 국소 가열원이 존재함을 시사하며, 이는 은하수와 비슷한 별 형성 표면 밀도를 略상회하는 것으로 나타남.
• C IV 및 Si IV가 없는 것은, 어떤 따뜻한 이온화된 상도 [C/H] < -4.2 또는 매우 짧은 경로 길이(≤8 pc)여야 함을 의미하며, 금속 혼합이 제한됨을 시사함.
• Cloudy 모델은 은하수 수준의 금속 농도와 1 kpc 경로 길이를 가진 따뜻한 이온화된 상은 검출 가능한 C IV를 생성할 것임을 보여주며, 관측 결과와 모순됨.
• 이 시스템은 질량 약 10⁸–10⁹ M☉, 별 형성률 약 1 M☉ yr⁻¹, 중간 정도의 [C II] 발광도를 가진 SMC 유사 은하와 일치함.