[논문 리뷰] The clustering of Lyman alpha emitters at z=7: implications for reionization and host halo masses

Emanuele Sobacchi, Andrei Mesinger|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 z≈7에서의 라이만 알파 방출체(Lyman alpha emitters, LAEs)의 각도 상관 함수(ACF)를 사용하여 재이온화 상태와 주변 힐로 질량을 탐색하며, 관측된 낮은 군집화가 ⟨x_HI⟩ < 0.5 (1σ) 및 M_h ≲ 10¹⁰ M☉인 낮은 질량의 주변 힐로를 시사한다—이는 LAEs가 낮은 질량의 힐로에 있는 젊고 항성 폭발성 은하일 가능성이 높음을 의미한다. 향후 HSC 우주 깊이 탐사에서 이러한 제약 조건은 크게 향상될 것으로 기대된다.

ABSTRACT

The Ly$α$ line of high-redshift galaxies has emerged as a powerful probe of both early galaxy evolution and the epoch of reionization (EoR). Motivated by the upcoming wide-field survey with the Subaru Hyper Suprime-Cam (HSC), we study the angular correlation function (ACF) of narrow-band selected, $z\approx7$ Ly$α$ emitting galaxies (LAEs). The clustering of LAEs is determined by both: (i) their typical host halo masses, $\bar{M}_{ m h}$; and (ii) the absorption due to a patchy EoR, characterized by an average neutral fraction of the intergalactic medium, $\bar{x}_{ m HI}$. We bracket the allowed LAE ACFs by exploring extreme scenarios for both the intrinsic Ly$α$ emission and the large-scale pattern (i.e. morphology) of cosmic ionized patches in physical EoR models. Independent of the EoR morphology, current $z\approx 7$ ACF measurements constrain $\bar{x}_{ m HI}\lesssim 0.5$ (1-$σ$). We also find that the low values of the currently-observed ACF imply that LAEs are hosted by relatively small dark matter halos: $\bar{M}_{ m h} \lesssim 10^{10} M_{\odot}$, with corresponding duty cycles of $\lesssim$ few per cent. These values are over an order of magnitude lower than the analogous ones for color-selected, Lyman break galaxies, suggesting that $z\approx 7$ narrow-band LAEs searches are preferentially selecting young, star-burst galaxies, residing in less massive halos. The upcoming Ultra Deep campaign with the HSC will significantly improve constraints on both the EoR and LAE host halos.

연구 동기 및 목표

• z≈7에서의 라이만 알파 방출체(LAEs)의 각도 상관 함수(ACF)를 이용하여 재이온화 시기(EoR)와 주변 힐로 질량을 탐색한다.
• 군집화 측정을 통해 EoR(중성 IGM 비율 x_HI)의 영향과 내재된 LAE 성질(예: 라이만 알파 복사원, 탈출율 등)의 영향을 분리한다.
• 향후 HSC 우주 깊이 탐사 데이터가 재이온화와 LAE 주변 힐로 질량에 대한 제약 조건을 어떻게 향상시킬 수 있는지 평가한다.
• narrow-band로 선별된 LAEs가 z≈7에서의 색상 선별 라이만 브레이크 은하(LBGs)와 주변 힐로 성질과 작동 주기에서 어떻게 다를 수 있는지 조사한다.

제안 방법

• 어두운 물질 힐로 군집화와 패치워이즈 재이온화에 기인한 IGM 투과율 효과를 조합하여 z≈7에서의 LAEs 관측 각도 상관 함수(ACF)를 모델링한다.
• 내재된 라이만 알파 방출의 극단적 시나리오와 EoR 형태(예: 이온화 기포 패tern)를 탐색하여 관측 가능한 ACF 범위를 둘러싸는 범위를 설정한다.
• Ouchi 등(2010)의 z=6.6에서의 관측 ACF를 사용하여, ACF가 주로 힐로 군집화와 IGM 흡수에 의해 결정된다고 가정할 때 평균 중성 수소 비율 ⟨x_HI⟩를 제약 조건화한다.
• IGM 흡수 효과를 고려하여, 내재된 ACF(힐로 군집화에 기인)가 관측된 ACF를 초과하지 않도록 요구함으로써 주변 힐로 질량 M_h의 상한선을 유도한다.
• 관측된 수밀도와 힐로 질량 함수, 일반적인 라이만 알파 복사원 함수를 조합하여 LAEs의 작동 주기(-duty cycle)를 추정한다.
• 예상되는 HSC 우주 깊이 탐사 감도를 바탕으로 향후 제약 조건을 예측하며, 관측된 ACF가 현재 측정값과 일치한다고 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z≈7에서 LAEs의 관측 각도 상관 함수(ACF)로부터 IGM 내 평균 중성 수소 비율 ⟨x_HI⟩에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ2 관측된 군집화 강도에 기반하여 z≈7에서의 LAEs 주변 힐로 질량 M_h에 대한 상한선는 무엇인가?
• RQ3 narrow-band로 선별된 LAEs의 추정된 주변 힐로 질량과 작동 주기와 z≈7에서의 색상 선별 라이만 브레이크 은하(LBGs)의 값은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 내재된 라이만 알파 방출 성질의 불확실성과 무관하게 LAEs 군집화가 재이온화를 탐색하는 데 얼마나 신뢰할 수 있는 도구가 되는가?
• RQ5 향후 HSC 우주 깊이 탐사가 z≈7에서의 LAEs에 대한 ⟨x_HI⟩와 M_h 제약 조건을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 현재 z≈7에서의 LAE 각도 상관 함수 측정은 IGM 내 평균 중성 수소 비율을 1σ 신뢰 수준에서 ⟨x_HI⟩ < 0.5로 제약 조건화한다.
• 낮은 관측 ACF는 LAEs가 상대적으로 낮은 질량의 어둠센 물질 힐로에 주로 존재함을 시사하며, 평균 주변 힐로 질량은 M_h ≲ 10¹⁰ M☉이다.
• LAEs의 추정된 작동 주기—즉, 힐로가 감지 가능한 LAE를 보유하는 시간 비율—는 몇 퍼센트 미만이며, 이는 희귀하고 일시적인 라이만 알파 활동을 의미한다.
• 이러한 주변 힐로 질량은 z≈7에서 색상 선별 라이만 브레이크 은하(LBGs)의 추정치보다 한 올림픽 이상 낮으며, 이는 LAEs가 다른 인구를 선별하고 있음을 시사한다.
• 주변 힐로 질량의 격차는 주로 narrow-band 탐사의 선별 함수 때문이며, 이는 낮은 질량의 힐로에 있는 고리어런트 폭발성 은하를 선호한다.
• 향후 HSC 우주 깊이 탐사에서는 관측된 ACF가 현재 측정값과 일치한다고 가정할 경우 ⟨x_HI⟩에 대한 제약 조건이 ≲ 0.3(1σ)으로 향상될 것으로 기대된다.