[논문 리뷰] Profiles of Lyman\alpha\ Emission Lines

Takatoshi Yamada, Yuichi Matsuda외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 16.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 44인용 수 41

한 줄 요약

이 연구는 z = 3.1에서 91개의 라이만-알파 발광체에 대한 고해상도 스펙트로스코피를 제시하며, 약 50%가 주로 빨간색 피크가 강한 双피크 라이만-알파 프로파일을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 피크의 비대칭성과 속도 너비 상관관계는 고립된 구성 요소가 아니라 확장 중인 중성 수소 쉘에서의 산란을 시사하며, 라이만-알파 발광이 연령이 어리고 폭발적인 성간 형성과 관련된 기체의 외부 유동 및 중성 기체 흡수에 의해 형성됨을 시사한다.

ABSTRACT

We present the results of the observations of the Ly\alpha\ line profiles of 91 emission-line galaxies at z=3.1 with the spectral resolution of \lambda/\delta\lambda (FWHM) = 1700, or 180 km/s. A significant fraction, ~50% of the observed objects show the characteristic double peaks in their Ly\alpha profile. The red peak is much stronger than the blue one for most of the cases. The red peaks themselves also show weak but significant asymmetry and their widths are correlated with the velocity separation of the red and the blue peaks, which implies that the peaks are not isolated multiple components with different velocities but the parts of the single line which is modified by the absorption and/or scattering by the associated neutral hydrogen gas. The characteristic profile can be naturally explained by the scattering in the expanding shell of neutral hydrogen surrounding the Ly\alpha\ emitting region while the attenuation by the inter-galactic medium should also be considered. Our results suggest that the star-formation in these Ly\alpha\ emitters are dominated by the young burst-like events which produce the intrinsic Ly\alpha\ emission as well as the gas outflow.

연구 동기 및 목표

• 고적색 이동 은하에서 라이만-알파 발광의 물리적 기원과 탈출 메커니즘을 이해하기 위해.
• 중성 수소와 기체 운동학이 라이만-알파 선형형태에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 관측된 이중 피크 프로파일이 확장 중인 쉘에서의 산란인지 또는 다른 메커니즘인지 결정하기 위해.
• 라이만-알파 프로파일 형태학과 빛의 세기, 크기, 등가폭과 같은 은하 특성 간의 관계를 검토하기 위해.
• 대규모 구조를 따라 퍼져 있는 간성간 흡수로 인해 관측된 프로파일 특징이 설명될 수 있는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• Subaru 8.2m 망원경의 FOCAS를 사용하여 z = 3.1에서 91개의 라이만-알파 발광체에 대한 스펙트로스코픽 관측을 수행하였으며, λ/δλ ≈ 1700 (FWHM ≈ 180 km s⁻¹).
• 노즈밴드 이미징(NB497)을 통해 BV − NB497 > 0.5 또는 >1.0 조건을 만족하는 발광체를 선별하였으며, magnitude 임계값에 따라 달라졌다.
• 1” 폭의 슬릿에서 추출된 1차원 스펙트럼으로, 파장 캘리브레이션 정확도는 0.2 Å 이내였다.
• 다중 성분 고유형 분포를 사용하여 선형형태에서 이중 피크 및 흡수 특징을 식별하였다.
• Kolmogorov-Smirnov 검정을 통해 프로파일 형태학의 분포를 크기, FWHM, 이소포탈 면적, 등가폭과 비교하였다.
• 흡수 적색편이의 하늘 위치 분포를 맵핑하여 대규모 구조와의 공간적 상관관계를 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z = 3.1 라이만-알파 발광체 약 50%에서 관측된 이중 피크 라이만-알파 선형형태의 원인은 무엇인가?
• RQ2 이중 피크는 서로 다른 속도에서 고립된 구성 요소 때문이거나, 운동학적으로 복잡한 매질에서의 산란 때문인가?
• RQ3 빨간색 피크에서 관측된 비대칭성과 너비 상관관계는 확장 중인 중성 수소 쉘에서의 산란과 일치하는가?
• RQ4 강한 빨간색 피크와 약한 파란색 피크의 존재는 고리만-알파 등가폭 또는 기타 물리적 특성과 관련이 있는가?
• RQ5 대규모 필라멘트를 따라 퍼져 있는 간성간 흡수로 인해 관측된 프로파일 형태학이 설명될 수 있는가?

주요 결과

• z = 3.1에서 91개의 라이만-알파 발광체 중 약 50%가 이중 피크 라이만-알파 선형형태를 나타내며, 빨간색 피크가 파란색 피크보다 현저히 강하다.
• 빨간색 피크는 약한 비대칭성을 보이며, 그 너비는 빨간색 피크와 파란색 피크 사이의 속도 간격과 정적 상관관계를 보인다.
• 피크 간격과 빨간색 피크 너비 사이의 상관관계는 피크들이 독립된 구성 요소가 아니라 하나의 산란된 선형형태의 일부임을 시사한다.
• 관측된 프로파일 형태학은 중성 수소 쉘의 공명 산란으로 가장 잘 설명되며, 간성간 매체에 의한 추가적인 감쇠가 수반된다.
• 특징적인 이중 피크 프로파일은 고리만-알파 등가폭(BV − NB497 > 1.8)을 가진 물체에서 가장 두드러지게 나타나며, 이는 젊고 폭발적인 성간 형성 및 강한 외부 유동과의 연관성을 시사한다.
• 흡수 적색편이와 하늘 위치 사이에 공간적 상관관계를 발견하지 못하여, 대규모 간성간 흡수가 프로파일 특징의 주요 원인일 수 없다는 점이 배제되었다.