[논문 리뷰] Modelling the uv/x-ray cosmic background with CUBA

Francesco Haardt, Piero Madau|arXiv (Cornell University)|2001. 06. 01.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 110

한 줄 요약

이 논문은 팽창하는 $\Omega_\Lambda$-지배 우주론에서 복사전달 방정식을 해결함으로써 천체물리적 우주 자외선/엑스선 배경을 모델링하기 위한 빠른 수치 코드 CUBA를 제시한다. 최신의 활성은하핵 및 항성 형성은하의 등급함수, 스펙트럼 에너지 분포, 그리고 유형 II AGN 흠수 흡수를 포함한 엑스선 배경 합성 모델을 통합하여, 고적색우도 항성 형성 은하에서 광자 탈출율이 0.5를 초과할 경우 헬륨 이온화 상태와 간성간 매질의 열역학적 역사가 크게 영향을 받음을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, I will describe the features of the numerical code CUBA, aimed at the solution of the radiative transfer equation in a cosmological context. CUBA will be soon available for public use at the URL http://pitto.mib.infn.it/~haardt/, allowing for several user-supplied input parameters, such as favourite cosmology, luminosity functions, Type II object evolution, stellar spectra, and many others. I will also present some new results of the UV/X-ray cosmic background as produced by the observed populations of QSOs and star forming galaxies, updating and extending our previous works. The background evolution is complemented with a number of derived quantities such as the ionization and thermal state of the IGM, the HeII opacity, the HI and HeII ionization rates, and the HI, HeII and Compton heating rates.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 맥락에서 천체물리적 우주 자외선/엑스선 배경을 계산하기 위한 공개 가능하고 빠른 코드(CUBA) 개발
• 최근 관측 데이터를 바탕으로 활성은하핵 및 항성 형성 은하의 등급함수를 업데이트하여 이전 모델을 개선
• 엑스선 배경에 기여하는 흡수된 유형 II AGN의 기여를 포함하고, 이들이 간성간 매질의 가열 및 이온화에 미치는 영향 평가
• 고적색우도 항성 형성 은하에서 라이만 한계 광자의 탈출율이 헬륨 이온화 상태 He II/H I 비율에 미치는 영향 조사
• 재이온화 및 간성간 매질의 열역학적 진화 맥락에서 매개변수 공간, 특히 광자 탈출율을 탐색하기 위한 융통성 있는 도구 제공

제안 방법

• CUBA는 $\Omega_\Lambda = 0.7$, $\Omega_M = 0.3$, $H_0 = 65\,\text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 등의 우주론적 파라미터를 사용하여 팽창 우주에서 복사전달 방정식을 해결한다.
• 코드는 Boyle 등에서 제시한 QSO 등급함수와 Madau 등에서 제시한 항성 형성 은하의 등급함수를 관측 기반으로 사용하며, 적색우도에 따른 분석적 피팅을 통해 진화를 모델링한다.
• 은하 별 스펙트럼 에너지 분포(SED)는 $Z = 0.2\,Z_\odot$, Salpeter IMF, 0.5 Gyr 연령을 가진 Bruzual & Charlot 모델에서 유도한다.
• 엑스선 배경 모델링은 유형 II AGN의 로그노멀 분포를 가진 열량 밀도 분포를 포함하며, 흡수된 스펙트럼의 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 코드는 적색우도 및 파장에 따른 배경 특정 강도, 이온화 및 가열률, 헬륨 이온화 상태 He II 투과도, 간성간 매질 온도를 계산한다.
• 출력물로는 이온화률, He II 투과도, 연약한 및 딱딱한 밴드에서의 엑스선 수량 수치에 대한 분석적 피팅이 포함된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 탈출율을 가진 항성 형성 은하를 포함함으로써 예측된 자외선/엑스선 배경 및 간성간 매질 이온화 상태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 유형 II AGN이 엑스선 배경에 기여하는 정도는 얼마이며, 이는 간성간 매질의 콤프턴 가열에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 최신 활성은하핵 등급함수와 스펙트럼 기울기($\alpha = 1.8$, 1050 Å 이하 파장에서)를 반영함으로써 이온화 배경이 이전 모델과 어떻게 다를까?
• RQ4 적색우도에 따라 변화하는 탈출율($f_{\rm esc}$)이 간성간 매질에서 He II/H I 이온화 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 CUBA는 재이온화 연구에서 광자 탈출율과 같은 큰 매개변수 공간을 효율적으로 탐색하는 데 얼마나 유용한가?

주요 결과

• 적색우도 $z > 3$에서 탈출율 $f_{\rm esc} = 0.5$를 가진 항성 형성 은하를 포함함으로써, 오직 QSO만을 고려한 모델 대비 He II 이온화율이 크게 증가한다.
• 항성 형성 은하에서 더 연약한 별 SED는 He II/H I 이온화 비율을 높여, He II 재이온화에 더 큰 영향을 미친다.
• 로그노멀 열량 밀도 분포를 가진 유형 II AGN를 포함한 엑스선 배경 모델은 관측된 소프트 및 하드 밴드 XRB 강도와 수량 수치를 잘 재현한다.
• 엑스선 배경으로부터의 콤프턴 가열은 고적색우도에서 특히 우주 자외선 배경의 광이온화 가열과 크기가 유사하다.
• 표준 PC에서 CUBA는 전체 배경 모델을 약 90초 내에 계산할 수 있어, $f_{\rm esc}$와 같은 큰 매개변수 공간의 신속한 탐색이 가능하다.
• 코드는 이온화율, 가열률, He II 투과도 등의 주요 양에 대한 분석적 피팅을 생성하여 시뮬레이션 및 관측 모델링에 활용하기 용이하다.