[논문 리뷰] LAGER Ly$\alpha$ Luminosity Function at $z\sim7$, Implications for Reionization

Isak Wold, Sangeeta Malhotra외 16명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 25.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 네 개의 LAGER 영역에서 확보한 총 6.1×10$^6$ Mpc$^3$의 조사 부피를 바탕으로 $z\sim7$에서 새로운 Ly$\alpha$ 광도 함수를 제시한다. $z=5.7$에서 $z\sim7$로의 중간 정도의 진화가 관측되며, 이는 $z\sim7$에서 완전히 또는 대부분 이온화된 간성간 매질을 지지한다. 1σ 신뢰수준에서 부피 평균 중성 수소 분율 $x_{\text{HI}} < 0.33$이다.

ABSTRACT

We present a new measurement of the Ly$\alpha$ luminosity function at redshift $z=6.9$, finding moderate evolution from $z=5.7$ that is consistent with a fully or largely ionized $z\sim7$ intergalactic medium. Our result is based on four fields of the LAGER (Lyman Alpha Galaxies in the Epoch of Reionization) project. Our survey volume of $6.1 imes10^{6}$ Mpc$^{3}$ is double that of the next largest $z\sim 7$ survey. We combine two new LAGER fields (WIDE12 and GAMA15A) with two previously reported LAGER fields (COSMOS and CDFS). In the new fields, we identify $N=95$ new $z=6.9$ Ly$\alpha$ emitters (LAEs); characterize our survey's completeness and reliability; and compute Ly$\alpha$ luminosity functions. The best-fit Schechter luminosity function parameters for all four LAGER fields are in good general agreement. Two fields (COSMOS and WIDE12) show evidence for a bright-end excess above the Schechter function fit. We find that the Ly$\alpha$ luminosity density declines at the same rate as the UV continuum LF from $z=5.7$ to $z=6.9$. This is consistent with an intergalactic medium that was fully ionized as early as redshift $z\sim 7$, or with a volume-averaged neutral hydrogen fraction of $x_{HI} < 0.33$ at $1\sigma$.

연구 동기 및 목표

• 더 넓은 조사 부피와 높은 완전성을 확보하여 $z=6.9$에서 Ly$\alpha$ 광도 함수를 측정하는 것.
• $z=5.7$에서 $z=6.9$로의 Ly$\alpha$ 복사의 진화를 평가하여 간성간 매질(IGM)의 이온화 상태를 제약하는 것.
• 깊고 넓은 분야 조사에서 Ly$\alpha$ 발광체(LAE) 탐지의 신뢰성과 완전성 평가.
• 관측된 광도 밀도 감소가 $z\sim7$에서 완전히 이온화된 IGM와 일관되는지 확인하는 것.

제안 방법

• COSMOS, CDFS, WIDE12, GAMA15A의 네 개 LAGER 영역 데이터를 융합하여 총 조사 부피 6.1×10$^6$ Mpc$^3$를 확보하는 것.
• 깊은 밴드 제한 영상 분석을 통해 두 신규 영역(WIDE12 및 GAMA15A)에서 $N=95$개의 새로운 $z=6.9$ Ly$\alpha$ 발광체(LAEs)를 식별하는 것.
• 세부적인 소스 탐지 및 광학적 적색편이 분석을 통해 조사의 완전성과 신뢰성 특성화.
• 관측된 Ly$\alpha$ 광도 함수를 Schechter 함수로 피팅하여 최적의 매개변수 유도.
• $z=5.7$에서 $z=6.9$로의 UV 연속광도 함수와의 비교를 통해 Ly$\alpha$ 광도 밀도의 진화 분석.
• 광도 밀도 진화를 바탕으로 $z\sim7$에서의 부피 평균 중성 수소 분율 $x_{\text{HI}}$ 제약.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ly$\alpha$ 광도 함수가 $z=6.9$에서 $z=5.7$로의 중간 정도의 진화를 보이며, 이는 간성간 매질의 이온화 상태에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ2 관측된 광도 밀도 진화를 바탕으로 $z\sim7$에서의 부피 평균 중성 수소 분율 $x_{\text{HI}}$는 얼마인가?
• RQ3 여러 독립된 영역에서 관측된 Ly$\alpha$ 광도 함수 매개변수는 일관되며, 일부 영역에서 밝은 꼬리 초과 현상(예: 과도한 밀도 또는 선택 효과)이 관측되는가?
• RQ4 이 적색편이 범위에서 Ly$\alpha$ 광도 밀도 진화는 UV 연속광도 함수 진화와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 WIDE12 및 GAMA15A에서의 새로운 LAE 탐지로 고적색편이 Ly$\alpha$ 방출 밀도에 대한 제약은 어느 정도 향상되었는가?

주요 결과

• Ly$\alpha$ 광도 함수는 $z=6.9$에서 $z=5.7$로의 중간 정도의 진화를 보이며, 이는 완전히 또는 대부분 이온화된 간성간 매질과 일관된다.
• 결합된 LAGER 영역에 대한 최적의 Schechter 함수 매개변수는 네 개 영역 전반에서 양호한 일치를 보인다.
• COSMOS 및 WIDE12 두 영역에서 Schechter 피팅을 초월하는 밝은 꼬리 초과 현상이 관측되어, 과도한 밀도 또는 선택 효과의 가능성을 시사한다.
• Ly$\alpha$ 광도 밀도는 $z=5.7$에서 $z=6.9$로의 진화 속도가 UV 연속광도 함수와 유사하여, 유사한 진화 경향을 나타낸다.
• 이 광도 밀도 진화는 $z\sim7$에서 부피 평균 중성 수소 분율 $x_{\text{HI}} < 0.33$를 1σ 신뢰수준에서 암시하며, 이는 초기 재이온화를 지지한다.