[논문 리뷰] The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey XIV. The evolution of the Lya emitter fraction from z=3 to z=6

Haruka Kusakabe, J. Blaizot외 20명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 26.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 124인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 허블 초초음속 깊은 필드의 딥 MUSE 적층 스펙트로스코피를 사용하여 UV가느운 은하(M₁₅₀₀ ≈ −17.75)의 라이만-알파 발광체(LAE) 분율의 적색편이 z=3에서 z=6으로의 진화를 측정한다. 결과적으로 낮은 LAE 분율(X_LAE ≲ 30%)과 X_LAE = 0.07⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰³z − 0.22⁺⁰.¹²₋₀.²⁴의 최적 선형 진화를 발견하였으며, 이는 z ≈ 5.5에서 전복 또는 정지가능성을 시사하며, 늦은 또는 국소적인 재이온화 과정을 지지하며, 폭발적인 별 형성 모델이 부드러운 모델보다 관측 결과를 더 잘 설명한다.

ABSTRACT

The Lya emitter (LAE) fraction, X_LAE, is a potentially powerful probe of the evolution of the intergalactic neutral hydrogen gas fraction. However, uncertainties in the measurement of X_LAE are still debated. Thanks to deep data obtained with MUSE, we can measure the evolution of X_LAE homogeneously over a wide redshift range of z~3-6 for UV-faint galaxies (down to M_1500~-17.75). This is significantly fainter than in former studies, and allows us to probe the bulk of the population of high-z star-forming galaxies. We construct a UV-complete photo-redshift sample following UV luminosity functions and measure the Lya emission with MUSE using the second data release from the MUSE HUDF Survey. We derive the redshift evolution of X_LAE for M_1500 in [-21.75;-17.75] for the first time with a equivalent width range EW(Lya)>=65 A and find low values of X_ LAE~50 A at z~3-4, in contrast with previous work. The differences in X_LAE mainly arise from selection biases for Lyman Break Galaxies (LBGs) in the literature: UV-faint LBGs are more easily selected if they have strong Lya emission, hence X_LAE is biased towards higher values. Our results suggest either a lower increase of X_LAE towards z~6 than previously suggested, or even a turnover of X_LAE at z~5.5, which may be the signature of a late or patchy reionization process. We compared our results with predictions from a cosmological galaxy evolution model. We find that a model with a bursty star formation (SF) can reproduce our observed X_LAE much better than models where SF is a smooth function of time.

연구 동기 및 목표

• UV가느운 은하에 대해 z≈3–6 기간 동안 라이만-알파 발광체(LAE) 분율 X_LAE의 적색편이 진화를 측정함. 이는 이전 연구들보다 더 어두운 M₁₅₀₀ ≈ −17.75 수준까지 확장됨.
• 이전 문헌에서의 선택 편향 영향을 평가함. 특히 라이만 브레이크 은하(LBG) 샘플에서 강하게 발광하는 라이만-알파 소스가 과대표된다는 점.
• z≈3–4에서 UV magnitude(M₁₅₀₀)에 따른 X_LAE 의존성 여부를 평가함. 이는 이전 연구에서 강한 의존성이 있다고 주장한 바를 도전함.
• 관측된 X_LAE 분율을 천체물리학적 은하 진화 모델의 예측과 비교함. 특히 별 형성력의 역사에 초점함.

제안 방법

• 각 적색편이 및 magnitude 구간에서 은하 집단을 정의하기 위해 UV 빛의 강도 함수를 사용하여 UV 완전한 광학적 적색편이 샘플을 구성함.
• MUSE 허블 초초음속 깊은 필드 조사의 두 번째 데이터 릴리스를 사용하여 고감도 및 고해상도로 라이만-알파 방출을 탐지함.
• 감도 한계를 보정하기 위해 완전성 보정을 적용함. 이때 이항비율 신뢰구간(BPCI) 프레임워크 내에서 불확실성 전파를 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용함.
• X_LAE를 적색편이 z와 UV magnitude M₁₅₀₀의 함수로 선형 관계에 맞추며, 모의 관측을 통해 오차 전파를 검증함.
• 관측된 X_LAE 값과 천체물리학적 은하 진화 모델의 예측을 비교함. 특히 폭발적인 별 형성력과 부드러운 별 형성력의 역사에 초점함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UV가느운 은하(M₁₅₀₀ ≈ −17.75)에 대해 z=3에서 z=6까지의 라이만-알파 발광체 분율 X_LAE의 적색편이 진화는 어떠한가?
• RQ2 z≈3–4에서 UV magnitude M₁₅₀₀에 따른 X_LAE 의존성은 이전 연구와 어떻게 비교되며, 유의미한가?
• RQ3 강하게 라이만-알파를 방출하는 LBG를 선호하는 선택 편향으로 인해 이전의 LAE 분율 측정치가 얼마나 편향되어 있는가?
• RQ4 관측된 X_LAE 진화는 늦은 또는 국소적인 재이온화 시나리오를 어떻게 지지하는가? 그리고 현재의 은하 진화 모델로는 얼마나 잘 재현되는가?

주요 결과

• z≤6에서 LAE 분율 X_LAE는 ≤30%로 발견되었으며, 최적 선형 관계는 X_LAE = 0.07⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰³z − 0.22⁺⁰.¹²₋₀.²⁴임.
• M₁₅₀₀ ∈ [−20.25, −18.75] 이며 EW(Lyα) ≥ 25 Å 조건에서 유도된 X_LAE 값은 z≤5에서 1σ 범위 내에서 문헌과 일치하지만, 중앙값은 체계적으로 낮음.
• z≈3–4에서 EW(Lyα) ≥ 50 Å 조건에서 M₁₅₀₀에 따른 X_LAE 의존성은 유의미하지 않음. 이는 이전 연구에서 그러한 의존성이 있다고 보고한 바와 정반대임.
• 이러한 불일치는 선택 편향 탓임: 강한 라이만-알파 방출을 보이는 UV가느운 LBG는 더 쉽게 탐지되며, 이는 이러한 샘플의 X_LAE를 과대평가함.
• 관측된 X_LAE 진화는 z≈5.5에서 전복 또는 정지가능성을 시사하며, 이는 늦은 또는 국소적인 재이온화 과정을 지지함.
• 폭발적인 별 형성력을 가진 천체물리학적 은하 진화 모델이 부드러운 별 형성력 모델보다 관측된 X_LAE를 더 잘 재현함.