[논문 리뷰] Lyman Alpha Emitters at Redshift z=5.7

James E. Rhoads, Sangeeta Malhotra|arXiv (Cornell University)|2001. 10. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 101

한 줄 요약

이 논문은 대규모 라이만-알파(Lyman-α) 설문조사(Large Area Lyman Alpha, LALA)에서 적색편이 z ≈ 5.7에서 광도가 낮은 라이만-알파 발광체의 광학적 선택 표본을 제시하며, 이러한 낮은 빛의 원천들이 중성 간성간 매질(IGM)의 산란에 의해 영향을 받지 않는다는 것을 보여준다. 이러한 발광체의 탐지 결과는 재이온화가 z > 5.7 이전에 일어났음을 시사하며, 관측된 소스 밀도는 변화 없음 모델의 예측을 약간 초월하여 이 시기 동안 지속적인 은하 형성의 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Lyman alpha galaxies at high redshifts offer a powerful probe of both the formation of galaxies and the reionization of the intergalactic medium. Lyman alpha line emission is an efficient tool for identifying young galaxies at high redshift, because it is strong in systems with young stars and little or no dust-- properties expected in galaxies undergoing their first burst of star-formation. Lyman alpha galaxies also provide a robust test of the reionization epoch that is independent of Gunn-Peterson trough observations in quasar spectra and is better able to distinguish line center optical depths tau=5 from tau=10^5. This is because neutral gas scatters Lyman alpha photons, dramatically ``blurring'' images of Lyman alpha galaxies embedded in a neutral intergalactic medium and rendering them undetectable. We present a photometrically selected sample of z=5.7 Lyman alpha emitters derived from the Large Area Lyman Alpha survey. The presence of these low-luminosity Lyman alpha sources at z=5.7 immediately implies that the reionization redshift was > 5.7. Comparing these objects to our earlier z=4.5 sample, we find that the number of z=5.7 emitters at fixed line luminosity marginally exceeds the no-evolution expectation, but falls well short of published model predictions. The equivalent width distribution is similar at the two redshifts. The large equivalent widths of the Lyman alpha line indicate young galaxies undergoing their first star formation.

연구 동기 및 목표

• 窄밴드 광도 측정을 통해 z ≈ 5.7에서 고적색편이 라이만-알파 발광체를 식별하고 특성화하는 것.
• 글런-페터슨 터널 관측과는 독립적으로 라이만-알파 발광체의 탐지 가능성을 재이온화 시대의 탐사 도구로 사용하는 것.
• z ≈ 4.5에서 z ≈ 5.7 사이의 라이만-알파 발광체 수 밀도가 변화하는지 테스트하여 은하 형성과 재이온화 시기의 시계열을 제약하는 것.
• 중성 IGM 내에서 공명 산란이 라이만-알파 소스 탐지 가능성에 미치는 영향을 형태학적 및 빛의 세기 제약 조건을 통해 평가하는 것.

제안 방법

• 키트 피크의 메이얼 4m 망원경에서 815 nm와 823 nm 중심의 맞춤형 필터를 사용하여 z ≈ 5.7에서 라이만-알파 발광을 대상으로 한 Narrowband 설문조사 수행.
• 총 약 9.85시간의 815 nm 필터 및 약 9시간의 823 nm 필터에 걸쳐 이동 및 스택된 노출을 사용하여 깊이와 커버리지 최대화.
• 광학적 선택 기법을 적용하여, 폭넓은 필터 대비 Narrowband 필터에서의 과잉 광도를 기반으로 후보자를 식별하고, 등가폭과 밀집된 형태학적 특성을 통해 확인.
• 중성 IGM 내에서의 탐지 가능성을 평가하기 위해 공명 산란과 스트로마이어 구역 형성 모델링을 수행하였으며, 흡수를 피하기 위해 이온화 기포의 크기가 약 ~1.2 Mpc 이상이어야 함을 요구.
• 이온화된 매질 내에서 라이만-알파 광자를 탈출시킬 수 있는지 평가하기 위해, 복귀 기준 등가폭과 빛의 세기 제약 조건을 사용하여 필요한 이온화 광자 탈출율과 소스 연령을 계산.
• z ≈ 5.7에서의 소스 수 계수를 z ≈ 4.5에서의 값과 비교하여 변화 여부를 테스트하고, 재이온화 적색편이의 범위를 추론.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 5.7에서 라이만-알파 발광체는 탐지 가능한가? 그 탐지 가능성은 간성간 매질의 상태에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?
• RQ2 z ≈ 5.7에서 라이만-알파 발광체의 수 밀도가 변화 없음 예측을 초월하는가? 이는 고적색편이에서의 은하 형성에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?
• RQ3 라이만-알파 소스의 형태학적 넓어짐이 없음을 관측함으로써, z ≈ 5.7에서 중성 IGM가 존재할 수 없는지를 판단할 수 있는가?
• RQ4 z ≈ 5.7에서 관측된 등가폭과 빛의 세기 제약 조건은 이온화 광자의 탈출율과 소스 연령을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 글런-페터슨 터널 관측과 비교할 때, 라이만-알파 소스 수 계수는 중간에서 극단적인 투과도를 구분하는 데 더 신뢰할 수 있는 재이온화 테스트가 될 수 있는가?

주요 결과

• 10개의 밀집된 낮은 빛의 라이만-알파 발광체가 적색편이 z ≈ 5.7에서 식별되었으며, 복귀 기준 등가폭 ≥ 80 Å로, 젊고-dust이 적은 별 집단을 나타낸다.
• 소스의 밀집된 형태학적 특성(약 1″ 해상도에서 해상도가 떨어짐)은 중성 IGM에 의한 공명 산란이 크게 영향을 주지 않음을 시사하며, z ≈ 5.7에서 이미 IGM는 이온화되어 있었음을 의미한다.
• 고정된 선 빛의 세기에서 z ≈ 5.7의 라이만-알파 발광체 수 밀도는 변화 없음 예측을 약간 초월하며, z ≈ 4.5에서 z ≈ 5.7 사이에 소스 밀도가 약간 증가했음을 시사한다.
• 관측된 소스 밀도는 일부 이론 모델의 예측보다 낮아, 고적색편이 별 형성 시나리오와 잠재적인 긴장이 있음을 시사한다.
• 재이온화 적색편이는 z_r > 5.7로 제약되며, 중성 IGM 내에서는 공명 산란으로 인해 라이만-알파 발광체가 탐지되지 않지만, 실제로는 관측되었기 때문이다.
• 분석 결과, 라이만-알파 발광체는 중성 IGM 내에서 최대 τ ~ 10^4의 투과도까지 탐지 가능할 수 있으나, 관측된 소스는 이러한 조건과 일치하지 않아 이온화된 환경임을 확인한다.