[논문 리뷰] The UV spectrum of HS1700+6416 II. FUSE observations of the HeII Lyman alpha forest

C. Fechner, D. Reimers외 12명|ArXiv.org|2006. 05. 05.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 55인용 수 45

한 줄 요약

이 연구는 복사재결 이후 간성간 매질에서 헬륨 이온 II/수소 기저 농도 비율(η)을 측정하기 위해 퀘이사 HS 1700+6416의 FUSE 원거리 자외선 스펙트로스코피를 제시한다. 선형 프로파일 피팅과 명백한 투과도 방법을 사용하여, z ≈ 2.6에서 η ≈ 100을 발견하였으며, 이는 은하와 같은 부드러운 이온화원의 중요한 기여를 시사한다. η의 산란은 기대되는 노이즈를 초월하여 우주 배경 복사의 실제 변동성을 시사한다.

ABSTRACT

We present the far-UV spectrum of the quasar HS1700+6416 taken with FUSE. This QSO provides the second line of sight with the HeII absorption resolved into a Ly alpha forest structure. Since HS1700+6416 is slightly less redshifted (z=2.72) than HE2347-4342, we only probe the post-reionization phase of HeII, seen in the evolution of the HeII opacity, which is consistent with a simple power law. The HeII/HI ratio eta is estimated using a line profile-fitting procedure and an apparent optical depth approach, respectively. The expected metal line absorption in the far-UV is taken into account as well as molecular absorption of galactic H_2. About 27% of the eta values are affected by metal line absorption. In order to investigate the applicability of the analysis methods, we create simple artificial spectra based on the statistical properties of the HI Ly alpha forest. The analysis of the artificial data demonstrates that the apparent optical depth method as well as the line profile-fitting procedure lead to confident results for restricted data samples only (12.0 < log N(HI) < 13.0). The reasons are saturation in the case of the apparent optical depth and thermal line widths in the case of the profile fits. Furthermore, applying the methods to the unrestricted data set may mimic a correlation between eta and the strength of the HI absorption. For the restricted data samples a scatter of 10 - 15% in eta would be expected even if the underlying value is constant. The observed scatter is significantly larger than expected, indicating that the intergalactic radiation background is indeed fluctuating. In the redshift range 2.58 < z < 2.72, where the data quality is best, we find eta ~ 100, suggesting a contribution of soft sources like galaxies to the UV background.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 FUSE 스펙트럼을 이용해 퀘이사 HS 1700+6416의 헬륨 이온 II/수소 기저 농도 비율(η)을 측정하기 위해 사용한다.
• 금속 및 H2 흡수의 존재 하에서 η를 유도하는 데 있어 두 분석 방법—선형 프로파일 피팅과 명백한 투과도—의 신뢰성을 평가한다.
• 관측된 η와 H i 흡수 강도 사이의 상관관계가 물리적 원인인지 분석 제약 조건에 의한 결과인지 조사한다.
• 금속선 흡수 및 은하계 H2 흡수의 η 측정에 미치는 영향과 통계적 편향을 평가한다.
• UV 배경이 공간적으로 변동성이 있는지 여부 또는 부드러운 힘 법칙 스펙트럼과 일관된지 평가한다.

제안 방법

• 쿼라사 HS 1700+6416의 FUSE 원거리 자외선 스펙트로스코피를 사용하여 z ≈ 2.72에서 헬륨 이온 II 라이만 알파 숲 흡수를 탐지하였다.
• 명백한 투과도 방법을 He ii 및 H i 선에 적용하였으며, 포화 편향을 피하기 위해 τ_Hi ∈ [0.01, 0.1] 범위로 제한하였다.
• 열적 너비 효과를 최소화하기 위해 log N_Hi ∈ [12.0, 13.0] 범위의 He ii 흡수체에 대해 선형 프로파일 피팅을 수행하였다.
• 가짜 스펙트럼을 H i 라이만 알파 숲 통계 기반으로 생성하여 방법론의 강건성과 체계적 편향을 확인하였다.
• 금속선 흡수 모델(Fechner 등 2006)과 은하계 H2 흡수를 포함하여 허위 He ii 흡수 특징을 보정하였다.
• 금속선 시스템의 광이온화 모델을 사용하여 η를 독립적으로 추정하고 피팅 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HS 1700+6416 시선을 따라 간성간 매질에서 헬륨 이온 II/수소 기저 농도 비율(η)은 얼마이며, 이는 이온화 복사장에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ2 금속선 및 H2 흡수 특징이 He ii 라이만 알파 숲에서 η 측정에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 η와 H i 흡수 강도 사이의 상관관계는 물리적 원인인지 분석 방법의 제약 조건에 기인한 결과인가?
• RQ4 η의 산란이 측정 노이즈로 기대되는 것보다 큰가? 이는 UV 배경의 실제 변동성을 시사하는가?
• RQ5 선 broadening에 대한 가정( turbulent vs. thermal )이 η 측정의 신뢰성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 적색편이 범위 2.58 < z < 2.72에서 평균 헬륨 이온 II/수소 기저 농도 비율은 η ≈ 100 (log η ≈ 2.0)이며, 이는 성간 별 형성 은하와 같은 부드러운 이온화원의 중요한 기여를 시사한다.
• 약 27%의 He ii 선이 금속선 흡수에 영향을 받으며, 19%는 Δlog η > 0.01를 보이며, 이는 개별 측정에서 잠재적인 편향이 있음을 나타낸다.
• η의 산란은 측정 노이즈로 기대되는 10–15%를 초월하여, 실제로 우주 배경 복사의 공간적 변동성을 시사한다.
• 명백한 투과도 방법과 프로파일 피팅 방법은 제한된 데이터 샘플에 적용했을 때 일관된 결과를 도출하지만, 제한 없이 적용할 경우 체계적 편향이 발생한다.
• 순수한 난류 선 너비 가정은 체계적 오류를 유도하며, 향후 분석에서 열적 너비를 고려해야 한다.
• 관측된 η 값은 퀘이사와 부드러운 원천의 혼합으로 구성된 UV 배경과 일치하며, 최근의 H i 투과도 및 금속 농도 연구 결과를 지지한다.