[논문 리뷰] Predicting Lyman-alpha escape fractions with a simple observable: Lyman-alpha in emission as an empirically calibrated star formation rate indicator

David Sobral, Jorryt Matthee|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 23.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 116인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 라이만-알파 등화선 등화선 폭(EW₀)과 라이만-알파 탈출율(f_esc,LYα) 사이의 단순한 경험적 보정을 제시하여, 라이만-알파 복사선 강도만으로도 정확한 항성 형성률(SFR) 추정이 가능하게 한다. 주요 결과는 f_esc,LYα = 0.0048 × EW₀ ± 0.05이며, 이는 먼지 보정 Hα 측정과 비교했을 때 SFR 불확실성을 ±0.2 dex로 감소시킨다.

ABSTRACT

Lyman-alpha (Lya) is intrinsically the brightest line emitted from active galaxies. While it originates from many physical processes, for star-forming galaxies the intrinsic Lya luminosity is a direct tracer of the Lyman-continuum (LyC) radiation produced by the most massive O- and early-type B-stars with lifetimes of a few Myrs. As such, Lya luminosity should be an excellent instantaneous star formation rate (SFR) indicator. However, its resonant nature and susceptibility to dust as a rest-frame UV photon makes Lya very hard to interpret due to the uncertain Lya escape fraction, f$_{esc,Lyα}$. Here we explore results from the CALYMHA survey at z=2.2, follow-up of Lya emitters (LAEs) at z=2.2-2.6 and a z~0-0.3 compilation of LAEs to directly measure f$_{esc,Lyα}$ with H-alpha (Ha). We derive a simple empirical relation that robustly retrieves f$_{esc,Lyα}$ as a function of Lya rest-frame EW (EW$_0$): f$_{esc,Lyα}$= 0.0048 EW$_0$[A]$\pm0.05$ and we show that it constrains a well-defined anti-correlation between ionisation efficiency and dust extinction in LAEs. Observed Lya luminosities and EW$_0$ are easy measurable quantities at high redshift, thus making our relation a practical tool to estimate intrinsic Lya and LyC luminosities under well controlled and simple assumptions. Our results allow observed Lya luminosities to be used to compute SFRs for LAEs at z~0-2.6 within 0.2 dex of the Ha dust corrected SFRs. We apply our empirical SFR(Lya,EW$_0$) calibration to several sources at z>2.6 to find that star-forming LAEs have SFRs typically ranging from 0.1 to 20 M$_{\odot}$/yr and that our calibration might be even applicable for the most luminous LAEs within the epoch of re-ionisation. Our results imply high ionisation efficiencies and low dust content in LAEs across cosmic time, and will be easily tested with future observations with JWST.

연구 동기 및 목표

• 라이만-알파 탈출율(f_esc,LYα)을 직접 관측 가능한 양인 라이만-알파 등화선 폭(EW₀)을 사용하여 보정함으로써, 라이만-알파 복사선 강도를 해석하는 데 발생하는 불확실성을 해소하고자 한다.
• SED 피팅이나 이온화 효율(ξ_ion) 또는 먼지 흡수에 대한 복잡한 가정 없이도 라이만-알파 탈출율과 EW₀ 사이의 강력하고 경험적인 관계를 수립하고자 한다.
• 우주 시간 전반에 걸쳐 라이만-알파 에미터(LAEs)에서 라이만-알파 복사선 강도만으로도 정확한 항성 형성률(SFR) 추정이 가능하도록 하고자 한다.
• 이 보정이 고적색도의 라이만-알파 에미터(z ≥ 2.6)에 적용 가능한지 테스트하고, 특히 재이온화 시대와 관련된 후보자들에 대해서도 검토하고자 한다.
• 미래의 JWST 관측을 위한 검증 가능한 프레임워크를 제공하기 위해 고적색도의 라이만-알파 에미터에서 직접 Hα 및 Hβ 측정을 수행하고자 한다.

제안 방법

• z ≈ 0–2.6에서 라이만-알파 에미터(LAEs)의 f_esc,LYα를 먼지 보정 Hα 복사선 강도를 통해 VLT의 다중 파장 관측(프로그램 098.A-0819 및 099.A-0254)을 활용하여 측정하였다.
• z ≈ 0–0.3의 LAE 콜렉션과 고적색도 LAE 샘플을 결합하여, f_esc,LYα와 라이만-알파 고유 폭(EW₀) 사이의 선형 경험적 관계를 유도하였다.
• 관측된 라이만-알파 복사선 강도와 내재된 라이만-연속대(lyman-continuum)를 통한 SFR를 직접 비교하여 보정식 f_esc,LYα = 0.0048 × EW₀[Å] ± 0.05를 유도하였다.
• 이 보정식을 적용하여 내재된 라이만-알파 및 라이만-연속대 복사선 강도를 추정하고, 최소한의 산란을 보이는 새로운 SFR(Lyα, EW₀) 지표를 도출하였다.
• 이 관계를 통해 이온화 효율(ξ_ion)과 먼지 흡수(E(B-V))의 추세를 추론하였으며, LAEs에서 강력한 ξ_ion–E(B-V) 반비례 상관관계가 있음을 확인하였다.
• 먼지 보정 Hα SFR와 비교하여 보정의 강인성을 검증하였으며, ±0.2 dex 이내의 산란을 달성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SED 피팅이나 복잡한 가정 없이도 라이만-알파 에미터(LAEs)에서 라이만-알파 등화선 폭(EW₀)만으로도 라이만-알파 탈출율(f_esc,LYα)을 예측할 수 있는가?
• RQ2 f_esc,LYα–EW₀ 관계의 내재된 산란은 얼마이며, 이는 적색도와 EW₀ 범위에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 EW₀ 기반 f_esc,LYα 보정을 통해 라이만-알파 복사선 강도가 얼마나 신뢰할 수 있는 항성 형성률(SFR) 지표로 사용될 수 있는가?
• RQ4 LAEs에서 이온화 효율(ξ_ion)과 먼지 흡수(E(B-V))는 어떻게 상관관계를 가지며, 이는 관측된 f_esc,LYα–EW₀ 관계로 설명될 수 있는가?
• RQ5 f_esc,LYα–EW₀ 보정식은 z ≥ 2.6에서 가장 빛나는 LAEs에 적용 가능한가? 특히 우주 재이온화 맥락에서 고려할 만한가?

주요 결과

• 강력한 선형 관계 f_esc,LYα = 0.0048 × EW₀[Å] ± 0.05가 확립되었으며, 이는 단순하고 직접 측정 가능한 관측량을 통해 라이만-알파 탈출율을 직접 예측할 수 있음을 의미한다.
• 이 보정은 먼지 보정 Hα SFR와 비교했을 때 SFR 불확실성을 ±0.2 dex로 감소시키며, z ≈ 0–2.6에서 LAEs의 실용적인 SFR 지표로 라이만-알파를 활용할 수 있도록 한다.
• 고 EW₀ LAEs는 f_esc,LYα–EW₀ 관계에서 매우 낮은 산란(≈0.1 dex)을 보이며, 먼지가 적고 이온화도가 높은 일관된 성질의 은하군임을 시사한다.
• 이 관계는 라이만-알파 에미터(LAEs)에서 고정된 이온화 효율(log₁₀(ξ_ion/Hz erg⁻¹) ≈ 25.4–25.6)와 낮은 먼지 흡수(E(B-V) ≈ 0.05–0.1)를 암시하며, 우주 시간 전반에 걸쳐 일관되게 유지된다.
• z ≈ 2–6에서 항성 형성 LAEs의 일반적인 SFR 범위는 0.1에서 20 M⊙ yr⁻¹이며, MUSE로 특정된 LAEs는 SFR ≈ 1.7 ± 0.3 M⊙ yr⁻¹, 더 빛나는 LAEs는 12⁺⁹₋₅ M⊙ yr⁻¹의 SFR를 가진다.
• SFR >30–40 M⊙ yr⁻¹인 경우 UV 기반 SFR와 보정식이 양호하게 일치하며, 이는 재이온화 시대에 가장 빛나는 LAEs에 적용 가능할 수 있음을 시사하지만, IGM 영향은 더 흐린 소스에 영향을 줄 수 있다.