[논문 리뷰] JWST Measurements of Neutral Hydrogen Fractions and Ionized Bubble Sizes at $z=7-12$ Obtained with Ly$α$ Damping Wing Absorptions in 27 Bright Continuum Galaxies

Hiroya Umeda, Masami Ouchi외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 18

한 줄 요약

원문 요지: 이 논문은 26개의 밝은 연속 스펙트럼 은 JWST/NIRSpec의 Lyα 감쇠 wing 흡수를 이용해 z ≈ 7–12에서 은하의 체적 평균 중성 수소 분수 x_HI와 이온화 거품 반지름 R_b를 구하고, 재이온화를 뒷받침하는 적합 시 redshift 진화를 보여주며 시뮬레이션과의 거품 크기 비교를 제공합니다.

ABSTRACT

We present volume-averaged neutral hydrogen fractions $x_{ m \HI}$ and ionized bubble radii $R_{ m b}$ measured with Ly$α$ damping wing absorption of galaxies at the epoch of reionization. We combine JWST/NIRSpec spectra taken by CEERS, GO-1433, DDT-2750, and JADES programs, and obtain a sample containing 27 bright UV-continuum ($M_{ m UV}<-18.5~{ m mag}$) galaxies at $7

연구 동기 및 목표

• JWST를 이용한 고적대 은하에서 Lyα 감쇠 Wing을 이용해 재이온화 기간 동안 IGM의 이온화 상태에 대한 제약을 동기화한다.
• 합성 및 개별 은하 스펙트럼의 Lyα 감쇠 Wing를 적합시켜 x_HI와 R_b를 정량화한다.
• Lyα 감쇠 Wing 신호의 적색 편이 진화 및 재이온화 타임라인 및 은하 환경에 대한 시사점을 조사한다.
• 추정된 거품 크기의 해석적 기대치 및 수치 시뮬레이션과의 일관성을 평가한다.

제안 방법

• CEERS, GO-1433, DDT-2750, JADES의 JWST/NIRSpec PRISM 스펙트럼을 이용해 Rest-frame UV 연속성을 가진 7<z<11.4 은하 26개 샘플을 구축한다.
• R_b의 이온화 거품이 IGM에 매植된 내부-외부 재이온화(ininside-out) 모델 속에서 Lyα 감쇠 Wing 흡수를 모델링하고, 재이온화의 끝을 z_n = 5로 고정하여 x_HI를 결정한다.
• Voigt 프로파일과 Lyα 방출 템플릿으로 CGM 흡수를 포함시키고, MCMC(ptemcee)로 x_HI, log R_b, log N_HI, EW(Lyα) 등을 후방확률로 얻는다.
• 감쇠 Wing 특징의 적색진화를 확인하기 위해 4개의 적색 구간 합성 스펙트럼을 구성한다.
• PRISM의 선 스프레드 기능에 의해 모델 스펙트럼을 도구적 브로드닝에 맞춰 합성한다.
• 스택된 PDF에서 모드로 최적값 및 68% HPDI 불확실성을 제시한다.

Figure 1: Redshift and UV-magnitude distribution of our galaxy sample. In the bottom panel, circles represent the redshift and UV-magnitude values for the galaxy observed by CEERS, GO-1433, DDT-2750, and JADES. The circle indicate the best-fit values while the upper circle with an upper arrow corres

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Lyα 감쇠 Wing를 이용해 밝은 은하에서의 z ≈ 7–12의 IGM의 체적 평균 중성 수소 분수 x_HI는 무엇인가?
• RQ2 이 은하들 주위의 이온화 거품 R_b의 크기는 얼마나 되며 색적 변화에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ3 추정된 x_HI와 R_b 값이 기존 재이온화 역사 및 시뮬레이션과 일치하는가?
• RQ4 CGM 흡수와 Lyα 방출이 감쇠 Wing 모양과 추정 매개변수에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

식별자	평균 z	x_HI	log R_b [cMpc]
#1	7.12^{+0.06}_{-0.08}	{0.54}^{+0.13}_{-0.54}	{1.89}^{+0.49}_{-1.54}
#2	7.44^{+0.34}_{-0.24}	{0.69}^{+0.30}_{-0.38}	{2.31}^{+0.13}_{-2.11}
#3	8.28^{+0.41}_{-0.44}	{0.92}^{+0.08}_{-0.56}	{0.70}^{+0.72}_{-1.25}
#4	10.28^{+1.12}_{-1.40}	{0.94}^{+0.06}_{-0.41}	{-0.72}^{+1.57}_{-0.28}

• 적색 편이에 따라 x_HI가 증가하며, 누적(스택) 구간에서 z≈7.12에서 x_HI ≈ 0.54에서 z≈10.28에서 x_HI ≈ 0.94로 상승한다.
• R_b는 적색 편이에 따라 감소하는 경향이 있으며 log10(R_b/cMpc) 값이 약 1.89(z≈7.12)에서 -0.72(z≈10.28)로 감소한다.
• 개별 물체 적합에서 일부 은하는 x_HI ≈ 0.9–1.0의 강한 IGM 감쇠와 작은 거품을 보이는 반면, 다른 은하는 감쇠 Wing 모양을 설명하기 위해 CGM HI 흡수 또는 큰 거품이 필요하다.
• 추정된 x_HI의 진화는 다소 늦은 편이며, CMB 전자 산란 및 UV 광도함수 진화(f_esc ~ 0.2 가정)와 일정하게 맞아떨어진다.
• 추정된 거품 크기는 주어진 x_HI에 대해 우주의 평균 해석적 추정보다 몇 배에서 몇 dex까지 크게 보일 수 있으며, 밝은 은하 주변의 합성된 이온화 거품에 대한 최근 수치 시뮬레이션과 대략적으로 호환된다.
• CGM의 중성 수소 열(N_HI) 밀도는 DLA(N_HI > 2×10^20 cm^-2)에 이를 수 있으며, 일부 대상에서 CGM에서 N_HI > 10^22 cm^-2를 시사한다.

Figure 2: Full spectra of galaxy samples. (Left): The x-(y-)axis corresponds to the observed wavelength (arbitrary normalized flux density ). The black lines and grey regions represent the fluxes of spectra and their uncertainties, respectively. The red dashed line represents the observed Ly $\alpha