[논문 리뷰] The Space Density of Redshift 5.7 Ly-Alpha Emitters

Crystal L. Martin, Marcin Sawicki|arXiv (Cornell University)|2003. 10. 29.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 Keck I 망원경에서 다중슬릿 윈도우 기법을 사용하여 적색이동 z=5.7에서의 라이아프라임 에미터의 공간 밀도에 대한 최초의 스펙트로스코픽 제약 조건을 제시한다. 아홉 개의 발광선 물체를 탐지했음에도 불구하고, 고적색이동 라이아프라임 에미터로 확인된 것은 없으며, 이는 z≈3에서 z≈5.7로의 라이아프라임 발광함수나 수밀도에 큰 변화가 없다는 것을 의미한다.

ABSTRACT

We present results from a blind, spectroscopic search for redshift 5.7 LyA emission-line galaxies at Keck I. Using a band-limiting filter and custom slitmask, the LRIS detector was covered with low resolution spectra in the 8100 - 8250 A atmospheric window which contains no bright night sky emission lines. Nine objects with line fluxes greater than our flux limit of 6e-18 erg/s/cm2 were found in the ~5.1 square arcminute field. Follow up observations indicate none of these are z=5.7 LyA emitters -- a result which places strong limits on evolution scenarios for LyA emitters between redshift 3 and redshift 5.7. In particular, the paucity of z=5.7 LyA emitters raises the question of whether the LyA -selected population plays a significant role in maintaining the ionization of the intergalactic medium at z = 5.7. We argue that if the escape fraction of LyA from galaxies is less than $0.4 f_{LyC}$, where $f_{LyC}$ is the escape fraction of Lyman continuum photons, then the star formation rate in the \lya emitting population is high enough in the no-evolution model (our upper limit) to maintain the ionization of the IGM at z=5.7.

연구 동기 및 목표

• 에포크 오브 리오니제이션의 중요한 시점인 적색이동 z=5.7에서 라이아프라임 에미터의 공간 밀도를 측정하기 위해.
• z≈3에서 잘 알려진 라이아프라임 에미터의 라이아프라임 발광함수와 비교해, z≈5.7에서의 라이아프라임 발광함수가 유의미하게 진화하는지 테스트하기 위해.
• z≈5.7에서 라이아프라임 발광 성간은행물질의 이온화를 유지하는 데 있어 라이아프라임 발광 성간은행물질의 역할을 평가하기 위해.
• 희미하고 고적색이동의 발광선 성간은행물질을 탐지하는 데 있어 다중슬릿 윈도우 기법의 효과성을 평가하기 위해.
• 특히 금속 농도가 낮은 발광선 성간은행물질을 포함한 전경 유령 물체와 고적색이동 라이아프라임 에미터를 구별하기 위해.

제안 방법

• Keck I의 LRIS 장치를 사용하여 약 5.1 제곱각분의 영역을 커버하는 맞춤형 다중슬릿 마스크를 사용한 빈도 스펙트로스코픽 조사 수행.
• 강한 야간 천체 방출선이 없는 8100–8250 Å 대기 윈도우를 대상으로 배경 노이즈를 최소화.
• 적색이동 z=5.7에서의 라이아프라임 라인(원천 기준 1215 Å)을 관측된 8200 Å 윈도우에서 분리하기 위해 밴드 제한 필터를 사용.
• 후보 라이아프라임 에미터를 식별하기 위해 6×10⁻¹⁸ erg s⁻¹ cm⁻²의 통신 임계값 설정.
• 연속 스펙트럼의 끊김과 추가적인 발광선을 확인하기 위해 후속 스펙트로스코피를 활용해 전경 유령 물체를 거부.
• 관측된 라이아프라임 선 강도와 성간은행물질 색상(예: r−i, i−z)을 비교하여 고적색이동 라이아프라임 에미터와 저적색이동 오염 물체를 구별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적색이동 z=5.7에서의 라이아프라임 에미터 공간 밀도는 얼마이며, z≈3–4에서의 라이아프라임 발광함수와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 z≈3에서 z≈5.7로의 라이아프라임 에미터의 특성 발광함수(L*) 또는 수밀도(φ*)에 유의미한 진화가 있는가?
• RQ3 일반적인 라이아프라임 탈출율을 가정할 때, 라이아프라임 발광 성간은행물질만으로 z≈5.7에서 성간은행물질의 이온화를 유지할 수 있는가?
• RQ4 좁역대 이미징이나 드롭아웃 조사와 비교해, 다중슬릿 윈도우 기법이 희미하고 고적색이동의 발광선 성간은행물질을 탐지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 어떤 종류의 전경 유령 물체가 고적색이동 라이아프라임 에미터를 가장 자주 모방하며, 이를 신뢰성 있게 거부할 수 있는가?

주요 결과

• 6×10⁻¹⁸ erg s⁻¹ cm⁻²의 통신 임계값을 가진 5.1 제곱각분의 영역에서 z=5.7에서의 확정된 라이아프라임 에미터는 탐지되지 않았다.
• 이 비탐지 결과는 변화 없음 가설과 약간의 일치를 보이며, z=5.7에서의 라이아프라임 발광함수가 z≈3과 비교해 유의미하게 더 밝지 않다는 것을 시사한다.
• z≈3에서 z≈5.7로의 L*의 1.7배 이상의 밝아짐은 이 null 결과로 인해 배제된다.
• 동일한 적색이동 간격 동안 라이아프라임 에미터의 수밀도가 2.2배 이상 증가하는 것도 이 결과로 인해 배제된다.
• z≈5.7에서 성간은행물질의 이온화를 유지하기 위해 필요한 라이아프라임 탈출율의 상한선은 0.4f_LyC 이하이며, 여기서 f_LyC는 라이만 연속대 탈출율이다.
• 극도로 금속 농도가 낮은 전경 발광선 성간은행물질은 강한 연속 스펙트럼 끊김이 없기 때문에 가장 식별하기 어려운 유령 물체이다.