[논문 리뷰] The Luminosity Function of Bright QSOs at z ∼ 4 and Implications for the Cosmic Ionizing Background

K. Boutsia, A. Grazian외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 83인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 QUBRICS 설문 조사로 인해 남반구 12,400 deg²의 천구에서 z ∼ 4에서 밝은 활성은하핵(QSO)의 광도 함수를 제시한다. 이 설문 조사에서는 총 58개의 QSO를 식별하였다. 이전 설문 조사와 비교해 더 급격한 밝은 끝 부분 기울기(β = −4.025)와 더 높은 공간 밀도(2.61×10⁻¹⁰ Mpc⁻³)를 발견하였으며, 이는 M₁₄₅₀ < −18인 AGN가 z ∼ 4에서 간접 이온화 배경을 완전히 설명할 수 있음을 시사한다. 이 경우 이온화율은 log(Γ/s⁻¹) = −12.17⁺⁰.¹³₋₀.₀₇이다.

ABSTRACT

Based on results by recent surveys, the number of bright quasars at redshifts z>3 is being constantly revised upwards. Current consensus is that at bright magnitudes ($M_{1450}\le -27$) the number densities of such sources could have been underestimated by a factor of 30-40%. In the framework of the QUBRICS survey, we identified 58 bright QSOs at 3.6$\le z \le $4.2, with magnitudes $i_{psf}\le$18, in an area of 12400$deg^{2}$. The uniqueness of our survey is underlined by the fact that it allows us, for the first time, to extend the sampled absolute magnitude range up to $M_{1450}= -29.5$. We derived a bright-end slope of $\beta=-4.025$ and a space density at $<M_{1450}>=-28.75$ of 2.61$ imes 10^{-10} Mpc^{-3}$ comoving, after taking into account the estimated incompleteness of our observations. Taking into account the results of fainter surveys, AGN brighter than $M_{1450}=-23$ could produce at least half of the ionizing emissivity at z$\sim$4. Considering a mean escape fraction of 0.7 for the QSO and AGN population, combined with a mean free path of 41.3 proper Mpc at $z=3.9$, we derive a photoionization rate of $Log(\Gamma [s^{-1}])=-12.17^{+0.13}_{-0.07}$, produced by AGN at M$_{1450}<-18$, i.e. ~100% of the measured ionizing background at z~4.

연구 동기 및 목표

• .
• 절대 magnitude에서의 높은 깊이를 바탕으로 z ∼ 4에서 밝은 QSO의 공간 밀도를 결정한다.
• z ∼ 4에서 AGN이 간접 이온화 배경에 기여하는 정도를 평가한다.
• 관측된 QSO 광도 함수가 이론 모델과 이전 설문 조사와 일치하는지 검증한다.

제안 방법

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• QUBRICS 설문 조사는 SkyMapper, Gaia, 2MASS, WISE의 다중 파장 광도 측정 자료를 사용하여 고적색도 QSO 후보를 식별하였다.
• 기존의 QSO로 훈련된 표준 상관 분석(CCA)을 적용하여 소스를 QSO 후보로 분류하였다.
• 설문 조사의 불완전성에 보정된 1/Vmax 방법을 사용하여 광도 함수를 유도하였다.
• 이온화 복사율과 이온화율은 z = 3.9에서 평균 LyC 탈출율 0.7과 평균 자유 길이 41.3 proper Mpc를 사용하여 계산하였다.
• 결과는 반분석 모델과 이전 설문 조사인 SDSS 및 ELQS와 비교되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 .
• RQ2 z ∼ 4에서 밝은 QSO의 진정한 공간 밀도는 무엇이며, 이는 이전 추정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 M₁₄₅₀ < −18인 AGN가 z ∼ 4에서 관측된 이온화 배경을 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 z ∼ 4에서의 광도 함수는 이론 모델과 이전 설문 조사와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 설문 조사의 완전성과 선택 함수는 유도된 광도 함수에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

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• QUBRICS 설문 조사는 z ∼ 4에서 관측된 QSO 광도 함수를 M₁₄₅₀ = −29.5까지 연장하였으며, 이는 z ∼ 4에서 관측된 바 없는 가장 어두운 절대 magnitude이다.
• 광도 함수의 밝은 끝 부분 기울기는 β = −4.025로 측정되었으며, 이는 이전 추정치보다 훨씬 급격하다.
• M₁₄₅₀ = −28.75에서 QSO의 공간 밀도는 2.61×10⁻¹⁰ Mpc⁻³이며, SDSS 추정치보다 30–40% 높다.
• M₁₄₅₀ < −18인 AGN는 log(Γ/s⁻¹) = −12.17⁺⁰.¹³₋₀.₀₇의 이온화율을 제공하며, z ∼ 4에서 관측된 이온화 배경과 일치한다.
• 광도 함수는 Fan et al. (2001), Akiyama et al. (2018) 및 기타 연구의 이전 피팅과 급격한 불일치를 보이며, 특히 밝은 magnitude에서 그러하다.
• 결과는 AGN만으로도 탈출율과 평균 자유 길이의 불확실성을 고려할지라도 z ∼ 4에서 간접 이온화 매질의 이온화 상태를 유지할 수 있음을 시사한다.