[논문 리뷰] The reheating and reionization history of the universe

Patrick Valageas, Joseph Silk|arXiv (Cornell University)|1999. 03. 26.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 퀘이사들을 포함한 분석 모델을 제시하여 은하계의 재이온화 및 재가열 역사를 통합적으로 기술한다. 두 가지 천체역학 모델(임계 밀도 및 열린 CDM)을 사용하여, 재이온화가 z_ri ≈ 6.8(열린 우주) 또는 z_ri ≈ 5.6(임계 밀도)에서 발생하며, z = 2.6에서 J₂₁ = 0.18의 UV 배경 피크를 보이고, 관측 결과와 일치하기 위해 미약한 퀘이사들이 필요로 하며, z = 10에서 금속 농도가 0.01 Z⊙를 초과함을 발견하였다.

ABSTRACT

We incorporate quasars into an analytic model to describe the reheating and reionization of the universe. In combination with a previous study of galaxies and Lyman-$α$ clouds, we are able to provide a unified description of structure formation, verified against a large variety of observations. We also take into account the clumping of the baryonic gas in addition to the presence of collapsed objects. We consider two cosmologies: a critical universe with a CDM power-spectrum and an open universe with $Ω_0=0.3$, $Λ=0$. The derived quasar luminosity function agrees reasonably well with observations at $z<4.5$ and with constraints over larger redshifts from the HDF. The radiation produced by these objects at $z \sim 16$ slowly reheats the universe which gets suddenly reionized at $z_{ri}=6.8$ for the open universe ($z_{ri}=5.6$ for the critical density universe). The UV background radiation simultaneously increases sharply to reach a maximum of $J_{21} = 0.18$ at $z=2.6$, but shows strong ionization edges until $z \leq 1$. The metallicity of the gas increases quickly at high $z$ and is already larger than $0.01 Z_{\odot}$ at $z=10$. The QSO number counts and the helium opacity constrain the reionization redshift to be $z_{ri} \sim 6$. We confirm that a population of faint quasars is needed in order to satisfy the observations. Due to the low reionization redshift, the damping of CMB fluctuations is quite small, but future observations (e.g. with the NGST) of the multiplicity functions of radiation sources and of the HI and HeII opacities will strongly constrain scenarios in which reionization is due to QSOs.

연구 동기 및 목표

• 우주의 시간에 걸쳐 구조 형성, 재가열, 재이온화를 통합하는 분석 모델을 개발하기 위해.
• 라이만-알파 구름, 은하, 퀘이사의 관측 결과를 일관된 재이온화 역사와 조율하기 위해.
• 재이온화와 UV 배경 진화를 설명하기 위해 필요한 퀘이사 등급 함수와 수치를 규명하기 위해.
• 기체 응집도와 붕괴된 구조가 재이온화 과정에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• QSO 수치와 헬륨 투과도 데이터를 이용해 재이온화 적색편이를 제약하기 위해.

제안 방법

• 이전의 은하와 라이만-알파 구름 모델을 확장하여, 우주의 재이온화에 대해 분석적 프레임워크에 퀘이사를 통합한다.
• 임계 밀도 CDM 우주와 Ω₀ = 0.3, Λ = 0인 열린 우주의 두 가지 천체역학 모델을 사용한다.
• z ≈ 16부터 z ≈ 2.6까지의 퀘이사에서 오는 이온화 복사장의 진화를 모델링한다.
• 재이온화 기간 동안 간성간 매질 내 기체 응집도와 붕괴된 구조의 존재를 고려한다.
• 관측 제약 조건과 비교하기 위해 UV 배경(J₂₁)과 이온화 분율의 진화를 해결한다.
• 쿼라 등급 함수를 사용하여 수치 수를 예측하고 허블 딥 필드 데이터와의 일관성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UV 배경 복사의 적색편이 진화는 어떻게 되며, 재이온화 기간 동안 피크는 언제 발생하는가?
• RQ2 재이온화가 일어나는 적색편이는 언제이며, Ω₀와 같은 천체역학적 매개변수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 쿼라 수치와 등급 함수는 재이온화 역사를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 기체 응집도는 재이온화의 시기와 효율성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 z = 10에서 간성간 매질의 금속 농도는 어느 정도 수준에 도달하며, 이는 초기 퀘이사 활동과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 열린 우주(Ω₀ = 0.3, Λ = 0)에서 재이온화는 z_ri = 6.8에서 발생하고, 임계 밀도 우주에서는 z_ri = 5.6에서 발생한다.
• UV 배경는 z = 2.6에서 J₂₁ = 0.18의 피크를 보이며, z ≤ 1까지 강한 이온화 경계가 유지된다.
• 관측 결과와 일치하는 z < 4.5에서의 퀘이사 등급 함수와 고적색편이에서의 허블 딥 필드 제약 조건을 만족하는 등급 함수가 유도되었다.
• 재이온화와 헬륨 투과도 관측 제약 조건을 충족시키기 위해 미약한 퀘이사의 집단이 필요로 한다.
• z = 10에서 간성간 매질의 금속 농도는 0.01 Z⊙를 초과하며, 이는 퀘이사에서 기인한 조기 풍부화를 시사한다.
• 미래의 HI 및 HeII 투과도와 소스 다중성 함수 관측은 QSO 주도 재이온화 시나리오를 강하게 시험할 것이다.