[논문 리뷰] Optical Depth of the Cosmic Microwave Background and Reionization of the Intergalactic Medium

J. Michael Shull, Aparna Venkatesan|arXiv (Cornell University)|2007. 02. 12.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 WMAP-3에서 측정한 CMB 투과도(τₑ = 0.09 ± 0.03)를 이용해 간성간 매질(IGM)의 재이온화 시기와 기원을 제약한다. 이는 약 50%의 τₑ가 zᵣ ≈ 6.1까지 완전히 이온화된 IGM에서 기인하며, 나머지 τₑ ≤ 0.03는 z > 6.1에서의 초기 항성과 블랙홀에서 기인해야 하며, 여기서 이온화 효율성과 X선 및 잔류 전자에 의한 사전이온화가 제한됨을 시사한다.

ABSTRACT

We examine the constraints on the epoch of reionization (redshift z_r) set by recent WMAP-3 observations of tau_e = 0.09 +/- 0.03, the electron-scattering optical depth of the cosmic microwave background (CMB), combined with models of high-redshift galaxy and black hole formation. Standard interpretation begins with the computed optical depth, tau_e = 0.042 +/- 0.003, for a fully ionized medium out to z_r = 6.1 +/- 0.15, including ionized helium, which recombines at z ~ 3. At z > z_r, one must also consider scattering off electrons produced by from early black holes (X-ray pre-ionization) and from residual electrons left from incomplete recombination. Inaccuracies in computing the ionization history, x_e(z) add systematic sources of uncertainty in tau_e. The required scattering at z > z_r can be used to constrain the ionizing contributions of "first light" sources. In high-z galaxies, the star-formation efficiency, the rate of ionizing photon production, and the photon escape fraction are limited to producing no more than Delta-tau_e < 0.03 +/- 0.03. The contribution of minihalo star formation and black-hole X-ray preionization at z = 10-20 are suppressed by factors of 5-10 compared to recent models. Both the CMB optical depth and H I (Ly-alpha) absorption in quasar spectra are consistent with an H~I reionization epoch at z_r ~ 6 providing 50% of the total tau_e at z < z_r, preceded by a partially ionized medium at z ~ 6-20.

연구 동기 및 목표

• 우주 마이크파온도장벽(CMB) 투과도 τₑ = 0.09 ± 0.03을 간성간 매질(IGM)의 재이온화 역사와 연관지어 해석하기.
• z > zᵣ에서의 이온화 광자 기여도를 관측된 τₑ에 대해 정량화하기.
• 고적색도 우주에서의 은하 및 블랙홀에서의 이온화 광자 생성 및 탈출 효율성을 제약하기.
• 부분적 재결합 및 비평형 이온화 과정과 같은 체계적 오차 요인을 평가하기.

제안 방법

• 표준 재이온화 모델을 사용하여, zᵣ = 6.1 ± 0.15까지 완전히 이온화된 IGM에 대한 표준 투과도 τₑ = 0.042 ± 0.003을 계산함.
• 남은 τₑ가 부분적으로 이온화된 IGM 내 전자에 의한 산란 때문이라면, 잔여 투과도 Δτₑ ≤ 0.03 ± 0.03을 유도함.
• 초기 대기형/대기형 항성의 이온화 광자 생성 효율(ε*)과 탈출율(f_esc)을 모델링하여, Δτₑ ≤ 0.03에서 제약 조건을 도출함.
• X선 탈출율 ≈ 1이고 1개의 광자당 평균 12개의 이온화를 일으킨다고 가정하여, X선 효율 매개변수 ε_X = f_b × (단위 질량에 흡수된 X선 광자 수)를 구성함.
• 이온화 역사 xₑ(z)를 사용하여 산란 기여도를 계산하고, 부분적 재결합에 기인한 잔류 전자를 고려함.
• 이온화 속도 방정식 dxe/dz ∝ ε* × (1 + z)³을 사용하여 이온화 효율성과 τₑ를 연결하고, 관측된 Δτₑ에서 제약 조건을 도출함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 CMB 투과도 τₑ = 0.09 ± 0.03 중 zᵣ ≈ 6.1까지 완전히 이온화된 IGM에서 기인하는 비율은 얼마인가요?
• RQ2 z > zᵣ에서 기인하는 추가 투과도 Δτₑ ≤ 0.03 ± 0.03는 어느 정도이며, 이는 초기 항성 형성 효율성과 광자 탈출율에 어떤 함의를 갖는가요?
• RQ3 초기 블랙홀에서 기인하는 X선 사전이온화가 Δτₑ에 어느 정도 기여할 수 있으며, 이는 항성의 UV 이온화와 비교해 어떻게 다를까요?
• RQ4 특히 부분적 재결합으로 인한 이온화 역사 xₑ(z)의 불확실성은 추론된 τₑ와 기원 제약 조건에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 X선 이온화 효율을 고려할 때, 관측된 Δτₑ를 생성하기 위해 필요한 블랙홀 밀도와 적층률의 상한은 얼마인가요?

주요 결과

• 관측된 CMB 투과도 τₑ = 0.09 ± 0.03는 약 50% (τₑ ≈ 0.042 ± 0.003)가 zᵣ = 6.1 ± 0.15까지 완전히 이온화된 IGM에서 기인함을 시사한다.
• 남은 Δτₑ ≤ 0.03 ± 0.03는 z > zᵣ에서 기인해야 하며, 이는 고적색도 은하에서의 이온화 효율성과 광자 탈출율을 제약함.
• z ≈ 10–20에서의 초기 블랙홀에 의한 X선 사전이온화는 낮은 Δτₑ 요구 조건으로 인해 최근 모델 대비 5~10배 감소함.
• 부분적 재결합에 기인한 잔류 전자 기여는 상당히 크지만, 추론된 이온화 역사에 체계적 오차를 유도함.
• z ≈ 20에서 z ≈ 6 사이에 이온화 분율 xₑ,₀ ≈ 0.1을 가진 IGM은 Δτₑ ≈ 0.018를 기여하며, 총 τₑ의 무시할 수 없는 비율을 차지함.
• X선 효율 ε_X에 대한 제약 조건은 이전 WMAP-1 τₑ = 0.17에서 유추된 것보다 블랙홀 공간 밀도와 적층률이 더 낮을 가능성이 있음을 시사함.