[논문 리뷰] Silverrush. IX. Lyα intensity mapping with star-forming galaxies at z = 5.7 and 6.6: Lyα emission extended at > 150 comoving kpc beyond the virial-radius scale of galaxy dark matter halos

Ryota Kakuma, Masmi Ouchi외 12명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 z = 5.7 및 6.6에서의 Subaru/HSC 초고해상도 협대역 영상과 Lyα 발광체(Lyα emitter, LAE) 목록을 사용하여, 은하의 복사반경을 초월해 150 공동운동 킬로파섹 이상 떨어진 곳에서 산발적인 Lyα 발광을 탐지한다. z = 5.7에서는 3σ의 유의미한 결과를, z = 6.6에서는 2σ의 결과를 얻었다. 이 확산 발광은 표면 밝기 약 10⁻²⁰–10⁻¹⁹ erg s⁻¹ cm⁻² arcsec⁻²로 나타나며, 해저리드된 은하의 중심 Lyα 발광과 냉각 기체 유입 또는 분출과 같은 알려지지 않은 기원의 조합에서 기인한 것으로 보이며, 해저리드된 위성 은하의 기원이 아님을 시사한다.

ABSTRACT

We present results of the cross-correlation Lya intensity mapping with Subaru/Hyper Suprime-Cam (HSC) ultra-deep narrowband images and Lya emitters (LAEs) at $z=5.7$ and $6.6$ in a total area of $4$ deg$^2$. Although overwhelming amount of data quality controls have been performed for the narrowband images and the LAE samples, we further conduct extensive analysis evaluating systematics of large-scale point spread function wings, sky subtractions, and unknown errors on the basis of physically uncorrelated signals and sources found in real HSC images and object catalogs, respectively. Removing the systematics, we carefully calculate cross-correlations between Lya intensity of the narrowband images and the LAEs. We identify very diffuse Lya emission with the $3\sigma$ ($2\sigma$) significance at $>150$ comoving kpc (ckpc) far from the LAEs at $z = 5.7$ ($6.6$), beyond a virial radius of star-forming galaxies with $M_\mathrm{h} \sim 10^{11} M_\odot$. The diffuse Lya emission possibly extends up to $1,000$ ckpc with the surface brightness of $10^{-20}-10^{-19}$ erg s$^{-1}$ cm$^{-2}$ arcsec$^{-2}$. We confirm that the small-scale ($<150$ ckpc) Lya radial profiles of LAEs in our Lya intensity maps are consistent with those obtained by recent MUSE observations (Leclercq et al. 2017). Comparisons with numerical simulations suggest that the large-scale ($\sim 150-1,000$ ckpc) Lya emission are not explained by unresolved faint sources of neighboring galaxies including satellites, but by a combination of Lya photons emitted from the central LAE and other unknown sources, such as a cold-gas stream and galactic outflow. We find no evolution in the Lya radial profiles of our LAEs from $z=5.7$ to $6.6$, where theoretical models predict a flattening of the profile slope made by cosmic reionization, albeit with our moderately large observational errors.

연구 동기 및 목표

• z = 5.7 및 6.6에서 은하의 복사반경을 초월해 대규모(>150 공동운동 킬로파섹)에서 산발적인 Lyα 발광을 탐지하고 특성화하는 것.
• 협대역 영상 및 LAE 목록에서 발생할 수 있는 시스템적 오차, 즉 PSF 꼬리, 천체배경 제거 오차, 그리고 알려지지 않은 오차를 평가하고 보완하는 것.
• 관측된 대규모 Lyα 발광이 해저리드된 희미한 천체의 기원으로 설명 가능한지 여부를 판단하고, 추가적인 물리적 메커니즘의 필요성을 확인하는 것.
• 우주 재이온화에 기인한 진화가 예상되는 바를 검증하기 위해 z = 5.7과 z = 6.6에서의 Lyα 반경 프로파일을 비교하는 것.
• 독립적인 MUSE 관측과 수치 시뮬레이션을 기반으로 강도 매핑 결과의 타당성을 검증하는 것.

제안 방법

• 4 deg² 범위에서 Subaru/HSC 초고해상도 협대역 영상로부터 유도된 Lyα 강도 맵과 LAE 목록 간의 상관관계 분석을 수행한다.
• 물리적으로 상관관계가 없는 신호와 실제 HSC 영상의 잡음 요소를 활용하여 데이터 품질 제어 및 시스템적 오차 평가를 철저히 수행한다.
• 150 공동운동 킬로파섹 이상의 Lyα 반경 프로파일을 측정하며, 통계적 오차 전파 및 시스템적 오차 제거를 통해 유의미성을 평가한다.
• 최근 MUSE 관측 결과와의 비교를 통해 소규모 구조의 형태를 검증한다.
• 수치 시뮬레이션을 활용하여, 대규모 발광이 해저리드된 위성 천체의 기원인지, 아니면 기체 유입 또는 분출과 같은 확장된 발광 메커니즘의 기원인지 평가한다.
• 관측 오차를 고려하여 z = 5.7과 z = 6.6 사이의 Lyα 프로파일 진화를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z = 5.7 및 6.6에서 은하의 복사반경을 초월해 150 공동운동 킬로파섹 이상 떨어진 곳에서 탐지 가능한 Lyα 발광이 존재하는가?
• RQ2 관측된 대규모 Lyα 발광이 위성 은하와 같은 해저리드된 희미한 천체의 기원으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 기체 유입 또는 은하 분출과 같은 물리적 메커니즘이 복사반경을 초월해 확장된 Lyα 발광을 가장 잘 설명하는가?
• RQ4 z = 5.7에서의 LAE Lyα 반경 프로파일은 z = 6.6에서의 것과 어떻게 다를지, 그리고 우주 재이온화로 인한 진화의 증거가 있는가?
• RQ5 PSF 꼬리 및 천체배경 제거와 같은 시스템적 오차가 산발적인 Lyα 발광 탐지에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• LAE에서 z = 5.7에서는 150 공동운동 킬로파섹 이상 떨어진 곳에서 3σ의 유의미한 산발적인 Lyα 발광이 탐지되었고, z = 6.6에서는 2σ의 결과를 얻었으며, 가능성 있는 범위는 최대 1,000 공동운동 킬로파섹까지 확장될 수 있다.
• 확산 발광의 표면 밝기는 10⁻²⁰–10⁻¹⁹ erg s⁻¹ cm⁻² arcsec⁻²로 측정되어 상당한 크기의 공간적으로 확장된 성분임을 시사한다.
• 소규모 반경 프로파일(<150 ckpc)은 최근 MUSE 관측 결과와 일치하여 강도 매핑 기법의 타당성을 검증한다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 대규모 발광이 해저리드된 위성 천체의 기원으로만 설명될 수 없으며, 냉각 기체 유입 또는 은하 분출과 같은 추가적인 기원이 필요함을 시사한다.
• 우주 재이온화로 인한 프로파일 평탄화가 예상되었지만, z = 5.7과 z = 6.6 사이에서의 Lyα 반경 프로파일에 유의미한 진화는 관측되지 않았다.
• PSF 꼬리 및 천체배경 제거와 같은 시스템적 오차는 철저히 평가되고 제거되었으며, 이는 산발적 발광 탐지에 대한 신뢰도를 강화한다.