[논문 리뷰] Reionization with star-forming galaxies: insights from the Low-z Lyman Continuum Survey

Maxime Trebitsch, Pratika Dayal외 19명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 12.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 저 redshift 항성 형성 은하에서 UV 경사와 LyC 탈출 분수($f_{\rm esc}$) 간의 관계를 보정하기 위해 저 redshift 라이만 연속성 조사(LzLCS)를 사용한다. 이 관계를 고 redshift 은하에 적용함으로써 관측된 재이온화 역사와 일치하며, $-16 \lesssim M_{\rm UV} \lesssim -13.5$인 은하가 재이온화를 주도함을 밝혀내며, 각각 $z = 4.5, 6, 8$에서 집단 평균 $f_{\rm esc} \approx 8\%, 10\%, 20\%$로 추정된다.

ABSTRACT

The fraction of ionizing photons escaping from galaxies, $f_{esc}$, is at the same time a crucial parameter in modelling reionization and a very poorly known quantity, especially at high redshift. Recent observations are starting to constrain the values of $f_{esc}$ in low-z star-forming galaxies, but the validity of this comparison remains to be verified. Applying at high-z the empirical relation between $f_{esc}$ and the UV slope trends derived from the Low-z Lyman Continuum Survey, we use the DELPHI semi-analytical galaxy formation model to estimate the global ionizing emissivity of high-z galaxies, which we use to compute the resulting reionization history. We find that both the global ionizing emissivity and reionization history match the observational constraints. Assuming that the low-z correlations hold during the epoch of reionization, we find that galaxies with $-16 \lesssim M_{UV} \lesssim -13.5$ are the main drivers of reionization. We derive a population-averaged $\langle f_{esc} angle \simeq 8\%, 10\%, 20\%$ at z=4.5, 6, 8.

연구 동기 및 목표

• 저 redshift 라이만 연속성 방출 은하가 재이온화 기간 동안 고 redshift 소스의 대체 자료로 사용될 수 있는지 평가하기 위해.
• LzLCS에서 유도된 경험적 $f_{\rm esc}$-$\beta$ 관계가 고 redshift로 외삽되어 전역 이온화 복사선 밀도를 모델링하는 데 사용될 수 있는지 확인하기 위해.
• 이러한 모델이 관측된 재이온화 역사와 간성간 매질의 이온화 분수에 대한 제약 조건을 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• UV magnitude와 탈출 분수 기반으로 재이온화를 주도하는 주요 은하 집단을 규명하기 위해.

제안 방법

• 고 redshift 은하 집단을 시뮬레이션하기 위해 Delphi 반분석적 은하 형성 모델을 사용한다.
• LzLCS에서 유도된 $f_{\rm esc}$-$\beta$ 관계를 적용하여 은하의 UV 경사($\beta$)에 따라 탈출 분수를 할당한다.
• 모든 은하의 UV 빛세기와 $f_{\rm esc}$에 가중치를 두어 전역 이온화 복사선 밀도를 계산한다.
• 유도된 복사선 밀도를 사용하여 이온화 방정식을 해결하고 재이온화 역사를 계산하며, 관측 제약 조건과 비교한다.
• 광도 함수와 헬로 질량 함수를 사용하여 은하의 밝기와 주변 헬로 질량에 따라 기여도를 가중한다.
• 재이온화가 진행됨에 따라 저질량 헬로에서의 광학 억제 효과를 고려하여 $f_{\rm esc}$의 적색편이에 따른 진화를 추적한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저 redshift 라이만 연속성 방출자에서 측정된 $f_{\rm esc}$-$\beta$ 관계가 고 redshift 재이온화 시대로 신뢰성 있게 외삽될 수 있는가?
• RQ2 다양한 은하 밝기 구간이 재이온화 기간 동안 전역 이온화 복사선 밀도에 기여하는 비율은 어떻게 되는가?
• RQ3 적색편이 $z \gtrsim 4$에서 UV magnitude 기반으로 어떤 은하 집단이 LyC 복사 출력을 주도하는가?
• RQ4 이 모델에서 집단 평균 $f_{\rm esc}$는 적색편이에 따라 어떻게 변화하며, 관측 제약 조건과 일치하는가?
• RQ5 낮은 질량, 어두운 은하가 광학적 억제에 의해 억제되기 이전에 재이온화의 초기 단계를 주도하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• LzLCS의 $f_{\rm esc}$-$\beta$ 관계를 고 redshift 은하에 적용할 경우, 관측된 재이온화 역사를 재현한다.
• UV magnitude가 $-16 \lesssim M_{\rm UV} \lesssim -13.5$인 은하가 재이온화의 주요 주행자이며, $M_{\rm UV} < -20$인 더 밝은 은하는 모든 적색편이에서 보조적 기여를 한다.
• 집단 평균 $f_{\rm esc}$는 $z \gtrsim 8$에서 약 $20\%$에서 시작해 $z \approx 4.5$에서 약 $8\%$로 감소하며, 고해상도 시뮬레이션과 $z \gtrsim 3$ 관측 결과와 일치한다.
• 최저 질량 헬로에 속한 가장 어두운 은하가 초기 재이온화를 주도하지만, $z \lesssim 9$에서 증가하는 UV 배경으로 인해 광학 억제를 받아 기여도가 감소한다.
• 모델이 예측한 $f_{\rm esc}$의 진화는 레이저 유체역학 시뮬레이션(Rosdahl et al. 2018 및 Trebitsch et al. 2021)의 결과와 정성적으로 일치하지만, 정규화 값에는 차이가 있다.
• 저 redshift 라이만 연속성 방출자가 고 redshift 소스의 대체 자료로 사용될 수 있음을 뒷받침하며, LzLCS가 재이온화 모델링을 위한 핵심 보정 도구임을 확인한다.