[논문 리뷰] Reconstructing the redshift evolution of escaped ionizing flux from early galaxies with Planck and HST observations

Layne C. Price, Hy Trac외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 12.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 16인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 플랑크 2015년 및 2016년 CMB 자료, 허블 우주망원경(HST) 은하 관측 자료, BAO 제약 조건을 이용하여 초기 은하에서의 이온화 광자 탈출 분율($f_{\mathrm{esc}}$)과 광자 생성률($\dot{n}_{\gamma}$)의 적색편이 진화를 재구성한다. 연구 결과, $f_{\mathrm{esc}}(z)$에 대해 적색편이 진화가 강력히 확인되었으며, $z=8$에서 $f_{\mathrm{esc}} \lesssim 0.5$이고 거듭제곱 법칙 기울기 $\beta \gtrsim 2.0$로 나타났다. 반면, 모델에 의존하지 않는 $\dot{n}_{\gamma}(z)$는 플랑크 2016년 자료를 바탕으로 $z=9$에서 광자 생성률이 억제되는 것으로 나타나 재이온화 기간이 더 뾰족한 경향을 보임을 시사한다.

ABSTRACT

While galaxies at $6 \lesssim z \lesssim 10$ are believed to dominate the epoch of cosmic reionization, the escape fraction of ionizing flux $f_\mathrm{esc}$ and the photon production rate $\dot n_γ$ from these galaxies must vary with redshift to simultaneously match CMB and low-redshift observations. We constrain $f_\mathrm{esc}(z)$ and $\dot n_γ(z)$ with Planck 2015 measurements of the Thomson optical depth $τ$, recent low multipole E-mode polarization measurements from Planck 2016, SDSS BAO data, and $3 \lesssim z \lesssim 10$ galaxy observations. We compare different galaxy luminosity functions that are calibrated to HST observations, using both parametric and non-parametric statistical methods that marginalize over the effective clumping factor $C_\mathrm{HII}$, the LyC production efficiency $ξ_\mathrm{ion}$, and the time-evolution of the UV limiting magnitude $dM_\mathrm{SF}/dz$. Using a power-law model, we find $f_\mathrm{esc} \lesssim 0.5$ at $z=8$ with slope $β\gtrsim 2.0$ at $68\%$ confidence with little dependence on the galaxy luminosity function or data, although there is non-negligible probability for no redshift evolution $β\sim 0$ or small escape fraction $f_\mathrm{esc} \sim 10^{-2}$. A non-parametric form for $f_\mathrm{esc}(z)$ evolves significantly with redshift, yielding $f_\mathrm{esc} \sim 0.2, 0.3, 0.6$ at $z=6,9,12$, respectively. However, a model-independent reconstruction of $\dot n_γ(z)$ predicts a suppressed escaped photon production rate at $z=9$ for the latest Planck data compared to the other models, implying a quicker period of reionization. We find evidence for redshift evolution in the limiting magnitude of the galaxy luminosity function for empirical models of the galaxy luminosity function.

연구 동기 및 목표

• 재이온화 시대 동안 초기 은하에서의 탈출 분율 $f_{\mathrm{esc}}(z)$와 이온화 광자 생성률 $\dot{n}_{\gamma}(z)$의 적색편이 진화를 제약하는 것.
• CMB의 투과도 측정치와 저적색편이 은하 관측치를 조율하기 위해 $f_{\mathrm{esc}}(z)$가 적색편이에 따라 진화해야 하는지 테스트하는 것.
• 은하 등급 함수(GLF) 가정, 한계 등급 진화, 그리고 LyC 생성 효율 $\xi_{\mathrm{ion}}$ 이 $f_{\mathrm{esc}}(z)$와 $\dot{n}_{\gamma}(z)$에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 파arametric 및 비모수적 방법을 이용해 $f_{\mathrm{esc}}(z)$와 $\dot{n}_{\gamma}(z)$를 재구성하여 모델의 독립성과 견고성을 평가하는 것.
• 관측 제약 조건을 만족시키기 위해 UV 등급 함수의 어두운 꼬리 등급 한계 $M_{\mathrm{SF}}$ 가 적색편이에 따라 진화해야 하는지 여부를 판단하는 것.

제안 방법

• 모델에 의존하지 않는 총 탈출 이온화 복사량에 민감한 총 투과도 $\tau$를 기반으로 플랑크 2015년 및 2016년 CMB 측정치를 $\dot{n}_{\gamma}(z)$에 대한 주요 제약 조건으로 사용한다.
• 스코치 및 부웬스 등(2015b) 모델을 포함한 HST 기반 은하 등급 함수(GLF)를 사용하여 UV 등급과 이온화 광자 생성량을 연결한다.
• 파라미터릭(거듭제곱 법칙) 및 비모수적 통계 방법을 모두 적용하여 $f_{\mathrm{esc}}(z)$와 $\dot{n}_{\gamma}(z)$를 재구성하며, $C_{\mathrm{HII}}$, $\xi_{\mathrm{ion}}$, $dM_{\mathrm{SF}}/dz$와 같은 불확실한 파라미터에 대해 통합한다.
• 우주론적 파라미터의 혼동을 제거하고 재이온화 역사를 더 잘 제약하기 위해 SDSS 바리온 음향 진동(BAO) 자료를 통합한다.
• Bayesian 추론을 사용하며 $\xi_{\mathrm{ion}}$에는 로그-우도를, $f_{\mathrm{esc}}(z)$에는 균일한 우선분포를 사용하여 결과가 우선가정에 얼마나 민감한지 평가한다.
• 함수 형태에 대한 가정 없이 $\dot{n}_{\gamma}(z)$를 재구성하여 잠재적인 편향을 피하고, 파라미터릭 모델과의 비교를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMB 투과도 측정치와 저적색편이 은하 관측치를 조율하기 위해 초기 은하의 탈출 분율 $f_{\mathrm{esc}}(z)$가 적색편이에 따라 진화해야 하는가?
• RQ2 은하 등급 함수(GLF)의 선택이 유추된 $f_{\mathrm{esc}}(z)$와 $\dot{n}_{\gamma}(z)$에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 파라미터릭 또는 비모수적 형태로 $f_{\mathrm{esc}}(z)$를 가정할 경우 재구성된 이온화 광자 생성률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 UV 등급 함수의 어두운 꼬리 등급 한계 $M_{\mathrm{SF}}$ 에 대한 적색편이 진화가 있는가에 대한 증거가 있는가?
• RQ5 다른 CMB 자료 세트(플랑크 2015년 대비 2016년 lowE)는 유추된 $\dot{n}_{\gamma}(z)$와 필요한 $f_{\mathrm{esc}}(z)$에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 파라미터릭 모델로 $f_{\mathrm{esc}}(z)$를 재구성한 결과, $z=8$에서 $f_{\mathrm{esc}} \lesssim 0.5$이며 68% 신뢰수준에서 기울기 $\beta \gtrsim 2.0$로 나타나 강력한 적색편이 진화를 보임.
• 비모수적 방법으로 재구성한 $f_{\mathrm{esc}}(z)$는 각각 $z=6, 9, 12$에서 $f_{\mathrm{esc}} \sim 0.2, 0.3, 0.6$로 나타나 재이온화 기간 전반에 걸쳐 상당한 진화를 보임.
• 모델에 의존하지 않는 $\dot{n}_{\gamma}(z)$ 재구성은 플랑크 2016년 lowE 자료를 사용할 경우 $z=9$에서 광자 생성률이 억제됨을 예측하여 더 뾰족한 재이온화 기간을 시사함.
• UV GLF의 한계 등급 $M_{\mathrm{SF}}$ 는 적색편이에 따라 진화해야 하며, 68% 신뢰수준에서 $dM_{\mathrm{SF}}/dz \lesssim -0.05$여야 이온화 광자 과잉 생성을 방지할 수 있음.
• 플랑크 2015년과 2016년 자료 간 $\tau$의 차이는 $f_{\mathrm{esc}}(z)$를 변화시키는 것보다 $\xi_{\mathrm{ion}}$을 조정하는 것으로 더 잘 맞는다. 다만 이는 우선가정에 따라 달라질 수 있음.
• 파라미터릭 및 비모수적 방법 모두 $\dot{n}_{\gamma}(z)$에 대해 일관된 제약 조건을 제공하여, 재이온화 역사 재구성에 있어 모델에 의존하지 않는 접근의 견고성을 검증함.