[논문 리뷰] Reducing low signal-to-noise FUSE spectra: confirmation of Lyman continuum escape from Haro 11

E. Leitet, N. Bergvall외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 06.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 41

한 줄 요약

이 연구는 재처리된 FUSE 데이터를 통해 국소의 별폭발 은하 Haro 11 로부터 릴리언 연속체(LyC)가 탈출하고 있음을 확인한다. 낮은 신호 대 잡음비(S/N) 스펙트럼에 대한 새로운 배경 제거 방법을 개발함으로써 이전의 모순된 결과를 해결하였다. 저자들은 절대 탈출 분율 $ f_{\text{esc}} = 3.3 \pm 0.7\% $ 을 유도하였으며, 이는 Haro 11가 낮은 질량, 높은 금속성 시스템에 대한 이론 모델과 일치하는 유일하게 알려진 국소 은하로서의 중요한 LyC 누출을 가진 것으로 확인된다.

ABSTRACT

Galaxies are believed to be the main providers of Lyman continuum (LyC) photons during the early phases of the cosmic reionization. Little is known however, when it comes to escape fractions and the mechanisms behind the leakage. To learn more one may look at local objects, but so far only one low-z galaxy has shown any sign of emitting LyC radiation. With data from the Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE), Bergvall et al. (2006) found an absolute escape fraction of ionizing photons (f_esc) of 4-10% for the blue compact galaxy Haro 11. However, using a newer version of the reduction pipeline on the same data set, Grimes et al. (2007) could not confirm this and derived an upper limit of f_esc \leq 2%. Here, using the last version of the pipeline CalFUSE v3.2, we aim at settling the question if Haro 11 is emitting ionizing radiation to a significant level or not. We also investigate the performance of the reduction pipeline for faint targets such as Haro 11. At these faint flux levels both FUSE and CalFUSE are pushed to their limits, and a detailed analysis was undertaken. We show that non-simultaneous background estimates are insuffient when working with low signal-to-noise data, and a new background model was developed based on a direct fit to the detector response. Applying the new background fit, a significant signal in the LyC emerged in both detector segments covering these wavelengths. Thus, the leakage is confirmed with a flux density of f_900=4.0 *10^{-15} erg/s/cm^2/Å (S/N=4.6), measured on the airglow free regions in the LyC for the night only data. This corresponds to an absolute escape fraction of ionizing photons for Haro 11 of f_esc=3.3 \pm 0.7%. The results were confirmed by investigating the 2D data, the count rates and the residual flux in CII(1036Å).

연구 동기 및 목표

• Haro 11에서의 릴리언 연속체 탈출에 대한 모순된 결과를 해결하기 위해, 이전 연구에서 $ f_{\text{esc}} \lesssim 2\% $ 라고 보고한 바, 초기 연구에서는 $ f_{\text{esc}} = 4-10\% $ 이었다.
• CalFUSE v3.2가 낮은 신호 대 잡음비(S/N) 데이터, 특히 Haro 11와 같은 희미하고 확장된 소스에 대해 어떻게 작동하는지 평가하기 위해.
• 낮은 S/N 영역에서 정확도를 향상시키기 위한 새로운 배경 제거 방법을 개발하고 구현하기 위해, 특히 비동기적 배경 추정에 특화된 방법을 개발하기 위해.
• 1D 스펙트럼, 2D 데이터, 카운트 레이트, C ii $\lambda$ 1036Å의 잔류 플럭스를 포함한 다수의 독립적 방법을 사용하여 FUSE 데이터 내 LyC 복사의 존재를 확인하기 위해.

제안 방법

• 이전의 모순된 연구에서 사용된 동일한 FUSE 데이터 세트에 대해 CalFUSE v3.2 최종 버전의 릴리스 파이프라인을 적용하였다.
• 최적의 필터링 기법을 사용하여 검출기 반응에 직접 표면을 피팅함으로써 새로운 배경 모델을 개발하였으며, 비동기적 배경 템플릿 방법을 대체하였다.
• 신호 추출의 정확도를 높이기 위해, 중심에서 벗어난 영역에서의 신호 추출과 1D 추출에서의 산란수정 영향을 중심으로 파ip라인 성능에 대한 세부 분석을 수행하였다.
• 확장된 소스 추출 모드를 사용하였으며, 중심 위치 선택을 신중히 하였고, SiC 1B는 검출기의 급격한 배경 기울기 위치에 있기 때문에 수정된 배경 모델을 적용하였다.
• 다양한 진단 방법을 사용하여 결과를 검증하였다: 2D 데이터 점검, 카운트 레이트 대 끝면 각도 플롯, C ii $\lambda$ 1036Å 흡수선 내 잔류 플럭스 분석.
• 광도 밀도와 탈출 분율을 계산하였으며, 광자 통계와 배경 피팅 불확실성 포함 오차 예산을 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 신호 대 잡음비에도 불구하고 Haro 11의 릴리언 연속체 복사가 통계적으로 유의미한가?
• RQ2 CalFUSE v3.2의 표준 비동기적 배경 제거 방법이 Haro 11와 같은 희미하고 확장된 소스에 대해 신뢰할 수 있는 결과를 도출하는가?
• RQ3 검출기 기반의 새로운 배경 모델이 FUSE 스펙트럼에서 약한 LyC 신호를 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 이전 측정치가 상반되어 있음에도 불구하고, Haro 11에서 이온화 광자의 진정된 탈출 분율은 무엇인가?
• RQ5 차별적 투명도와 스펙트럼 에너지 분포 영향은 C ii $\lambda$ 1036Å 선에서 LyC 플럭스 추정에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 공기 밀도가 없는 야간 데이터 영역에서 신호 대 잡음비가 4.6인 $ f_{900} = 4.0 \times 10^{-15} \, \text{erg} \, \text{s}^{-1} \, \text{cm}^{-2} \, \text{Å}^{-1} $ 에서 유의미한 LyC 신호를 검출하였다.
• Haro 11에서 이온화 광자의 절대 탈출 분율은 $ f_{\text{esc}} = 3.3 \pm 0.7\% $ 로 확인되었으며, 낮은 질량, 높은 금속성 시스템에 대한 이론적 기대와 일치한다.
• 검출기 반응에 직접 피팅한 새로운 배경 제거 모델은 SiC 2A에 대해 매우 효과적이었지만, SiC 1B는 검출기 배경 기울기로 인해 가우시안 피팅을 적용한 수정된 모델이 필요하였다.
• 2D 데이터와 카운트 레이트 플롯에서 LyC 초과가 확인되었으며, 카운트 레이트 대 끝면 각도 플롯에서 추세가 없었기에 공기 밀도와 산란 빛이 효과적으로 필터링된 것으로 나타났다.
• C ii $\lambda$ 1036Å 선 내 잔류 플럭스 분석을 통해 탈출 분율이 $ < 2.4\% $ 로 도출되었으며, 오차 범위 내에서 직접 LyC 측정치와 일치하였다.
• 이 연구는 Haro 11가 확인된 LyC 탈출 분율을 가진 유일한 국소 은하로 확인하였으며, 고적색 이동 재이온화 은하의 국소 유사체로서의 역할을 뒷받침한다.