[논문 리뷰] New $z > 7$ Lyman-alpha Emitters in EGS: Evidence of an Extended Ionized Structure at $z \sim 7.7$

Intae Jung, Steven L. Finkelstein외 22명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 19.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 케크/MOSFIRE 분광법을 사용하여 확장된 그로스 스트립 영역에서 z > 7에서 여덟 개의 새로운 라이만-알파 에미터를 발견하였으며, z ∼ 7.7에서 관측된 가장 큰 라이만-알파 에미터 군집을 규명하였다. 높은 라이만-알파 탐지율과 공간적 군집화는 상호작용하는 이온화 기포가 겹쳐져 확장된 이온화 영역을 형성하고, 이로 인해 라이만-알파 복사가 증가된 채로 탈출할 수 있음을 시사하며, 이는 부분적으로 이온화된 간성간 매질에서 복사 전달 효과 때문일 가능성이 높다.

ABSTRACT

We perform a ground-based near-infrared spectroscopic survey using the Keck/MOSFIRE spectrograph to target Ly$α$ emission at $7.0$4$σ$ level in eight $z>7$ galaxies, which include additional members of the known $z\sim7.7$ Ly$α$-emitter (LAE) cluster (Tilvi et al. 2020). With the addition of these newly-discovered $z\sim7.7$ LAEs, this is currently the largest measured LAE cluster at $z>7$. The unusually-high Ly$α$ detection rate at $z\sim7.7$ in this field suggests significantly stronger Ly$α$ emission from the clustered LAEs than from the rest of our targets. We estimate the ionized bubble sizes around these LAEs and conclude that the LAEs are clustered within an extended ionized structure created by overlapping ionized bubbles which allow the easier escape of Ly$α$ from galaxies. It is remarkable that the brightest object in the cluster has the lowest measured redshift of the Ly$α$ line, being placed in front of the other LAEs in the line-of-sight direction. This suggests that we are witnessing the enhanced IGM transmission of Ly$α$ from galaxies on the rear side of an ionized area. This could be a consequence of Ly$α$ radiative transfer: Ly$α$ close to the central velocity is substantially scattered by the IGM while Ly$α$ from the rear-side galaxies is significantly redshifted to where it has a clear path.

연구 동기 및 목표

• 재이온화 시대의 간성간 매질의 이온화 상태를 고레드시프트 라이만-알파 복사에 의존하여 탐색하기 위해.
• 특히 IGM 중성 분율이 높을 것으로 예상되는 z > 7에서 라이만-알파의 가시성과 탈출율을 조사하기 위해.
• z ∼ 7.7에서 라이만-알파 에미터의 군집화가 간성간 매질 내 대규모 이온화 영역 또는 '기포'의 존재를 나타내는지 확인하기 위해.
• 부분적으로 이온화된 간성간 매질에서 복사 전달이 라이만-알파 선형상과 탈출 확률에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 이온화 영역 뒤에 있는 은하에서 발생하는 라이만-알파 복사가 공명 산란 효과로 인해 IGM 투과도가 감소하는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 확장된 그로스 스트립 영역에서 7.0 < z < 8.2인 61개의 은하를 대상으로 케크/MOSFIRE 장비를 사용한 지상 기반 근적외선 분광 조사 실험을 수행하였다.
• 우주 조립 근적외선 깊은 외계유산 유산 조사(CANEDELS) 영역 내 약 10′ × 10′의 총 효과적 하늘 영역을 커버하였다.
• 확정된 고레드시프트 라이만-알파 에미터를 식별하기 위해 라이만-알파 선형을 >4σ의 유의수준으로 측정하였다.
• 은하의 라이만-알파 등화도와 적색이동을 가정하여 항성 집단의 이온화 광자 생성률을 기반으로 개별 라이만-알파 에미터 주변의 이온화 기포 크기를 추정하였다.
• 라이만-알파 에미터의 공간 군집화를 분석하고, 겹치는 이온화 기포를 통한 대규모 이온화 구조 존재를 추론하였다.
• 스펙트럼 분포함수(Sed) 피팅과 광학적 적색이동을 사용하여 분광적 적색이동을 교차 검증하고 저레드시프트 오염물질을 배제하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도가 높은 고레드시프트 은하 군집에서 z ∼ 7.7에서의 라이만-알파 탐지율은 어떻게 되며, 무작위 표본 추출에 비해 높은가?
• RQ2 z ∼ 7.7에서 라이만-알파 에미터의 군집화는 겹치는 이온화 기포를 가진 대규모 이온화 영역의 존재로 설명될 수 있는가?
• RQ3 군집 구성원의 라이만-알파 선형상과 적색이동 분포는 복사 전달 효과로 인한 증가된 투과도를 어떻게 시사하는가?
• RQ4 가장 밝은 군집 구성원은 관측된 적색이동이 가장 낮은데, 이는 이온화 영역 뒤에 위치해 있어 라이만-알파 탈출이 더 명확하게 이루어지는가?
• RQ5 이온화 기포의 겹침과 IGM 투과도는 z > 7에서 관측된 라이만-알파 등화도 함수에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 4σ 이상의 유의수준으로 z > 7에서 여덟 개의 새로운 라이만-알파 에미터가 탐지되었으며, 이로 인해 이 영역에서 z ∼ 7.7 라이만-알파 에미터의 총 수가 13개로 증가하여 z > 7에서 관측된 가장 큰 라이만-알파 에미터 군집을 형성하였다.
• z ∼ 7.7에서의 라이만-알파 탐지율은 다른 영역보다 유의미하게 높으며, 이는 대규모 이온화 구조로 인한 라이만-알파 가시성 향상 때문일 가능성이 높다.
• 라이만-알파 에미터의 공간 군집화는 이들이 겹치는 이온화 기포가 있는 확장된 이온화 영역 내에 존재하며, 이로 인해 은하에서 라이만-알파 복사가 더 쉽게 탈출할 수 있음을 시사한다.
• 가장 밝은 군집 구성원은 관측된 라이만-알파 적색이동이 가장 낮으며, 이는 시선 방향 투영상에서 군집 뒤에 위치해 있음을 나타내며, 이온화 영역을 통한 라이만-알파 복사 전달과 일치한다.
• 후방 측면에서 오는 라이만-알파 복사는 IGM에서 낮은 투과도 창문 영역으로 이동하여 공명 산란을 감소시키고, 원천 근처에서의 복사보다 더 높은 투과도를 보인다.
• 라이만-알파 등화도에서 추정한 이온화 기포 크기로부터 군집이 약 10–20 Mpc 규모의 이온화 기포 영역에 둘러싸여 있음을 알 수 있었으며, 이는 대규모 이온화 구조와 일치한다.