[論文レビュー] 3D Lyman-alpha radiation transfer. III. Constraints on gas and stellar properties of z~3 Lyman break galaxies (LBG) and implications for high-z LBGs and Lyman-alpha emitters(LAEs)

Anne Verhamme, D. Schaerer+2 more|ArXiv.org|May 23, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 96被引用数 160

ひとこと要約

本研究では、z~3のライマンブレイク銀河（LBGs）のガスおよび星々の性質を制約するために、3次元リーマンα放射線輸送モデルを用いる。観測されたリーマンα線幅および等価幅は、主にH iの総屈折率とダスト吸収（E(B-V) ~ 0.05–0.2）によって形作られる。主な結果として、多くのLBGsは内在的なリーマンα等価幅が50–100 Åであり、放射線輸送およびダストの影響によって変動し、これによりLBGsとリーマンα発光銀河（LAEs）の重複および赤方偏移とSFRとの関係におけるリーマンα強度の傾向が説明できる。

ABSTRACT

The Aim of our study is to understand the variety of observed Lyman-alpha (Lya) line profiles and strengths in Lyman Break Galaxies (LBGs) and Lya emitters (LAEs), the physical parameters governing them, and hence deriving constraints on the gas and dust content and stellar populations of these objects. Using our 3D Lya radiation transfer code including gas and dust (Verhamme et al. 2006), we fit 11 LBGs from the FORS Deep Field with redshifts between 2.8 and 5 observed by Tapken et al. (2007). A simple geometry of a spherically expanding shell of HI is adopted. RESULTS : The variety of observed Lya profiles is successfully reproduced. Most objects show outflow velocities of 150-200 km/s; two objects are most likely quasi-static. The radial HI column density ranges from NH=2.10^{19} to 7.10^{20} cm^{-2}. Our Lya profile fits yield values of E(B-V)~0.05-0.2 for the gas extinction. We find indications for a dust-to-gas ratio higher than the Galactic value, and for a substantial scatter. The escape fraction of Lya photons is found to be determined primarily by the extinction, and a simple fit formula is proposed. Intrinsic EW(Lya)~50-100 Angstroms are found for 8/11 objects, as expected for stellar populations forming constantly over long periods (> 10-100 Myr). In three cases we found indications for younger populations. Correlations between the observed EW(Lya) and other observables such as FWHM(Lya), E(B-V),SFR(UV) etc, are reproduced. We also show that there is a clear overlap between LBGs and LAEs. Radiation transfer and dust effects explain the increase of the LAE/LBG ratio, and a higher percentage of LBGs with strong Lya emission with increasing redshift. [shortened]

研究の動機と目的

• 高赤方偏移におけるライマンブレイク銀河（LBGs）およびリーマンα発光銀河（LAEs）の観測されたリーマンα線幅および強度の多様性の物理的起源を理解すること。
• 詳細な放射線輸送モデルを用いて、z~3のLBGsにおけるガスおよびダストの含有量、星族、および流出の性質を制約すること。
• 観測されたリーマンα等価幅、FWHM、吸収、SFRとの相関関係が、内在的差異のものか、放射線輸送効果に起因するものかを特定すること。
• 特にz~3におけるLBGsとLAEsの関係を評価すること。
• 放射線輸送およびダスト効果を補正した後、リーマンα等価幅がSFRの信頼できる指標として使用可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 11個のz~3 LBG（FORS Deep Fieldから選定、赤方偏移2.8–5）に対して3次元リーマンα放射線輸送コードを適用する。
• リーマンα輸送とダスト吸収をモデル化するため、球対称かつ拡張するH iシェルの幾何構造を仮定する。
• 放射線輸送には、共鳴散乱、ダスト吸収（E(B-V)を自由パラメータとして使用）、および非等方的リーマンα光子の脱出を含む。
• 観測されたリーマンα線幅および等価幅に合わせてモデルフィットを実施し、内在的リーマンα等価幅を自由パラメータとして使用する。
• ダストガス比の変動をモデルに組み込み、銀河系ダスト則からの逸脱をテストする。
• E(B-V)の関数としてのリーマンα脱出率の簡単な経験的フィット式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特にH i総屈折率とダスト吸収が、z~3のLBGsにおける観測されたリーマンα線幅および等価幅の多様性を決定する物理的パラメータとして、どのような役割を果たすか？
• RQ2 放射線輸送およびダスト効果が、LBGsおよびLAEsにおけるリーマンα性質、FWHM、吸収、SFRとの観測相関関係をどの程度説明できるか？
• RQ3 LBGsの内在的リーマンα等価幅は観測値と比べてどのように異なり、星形成歴にどのような示唆をもたらすか？
• RQ4 z~3におけるLBGsとLAEsの関係は何か？観測された重複および赤方偏移に伴うLAE/LBG比の増加は、放射線輸送およびダストによって説明可能か？
• RQ5 内在的リーマンα等価幅が分かっている場合、観測されたリーマンα等価幅からE(B-V)を推定できるか？

主な発見

• 球対称な流出を仮定した3次元放射線輸送モデルにより、z~3のLBGsにおける観測されたリーマンα線幅および強度の多様性がうまく再現された。
• 多くのLBGsは150–200 km s⁻¹の流出速度を示しており、2つの対象は準静的状態と整合的であった。
• H i総屈折率はN_Hi ~ 2×10¹⁹から7×10²⁰ cm⁻²の範囲にあり、ダスト吸収（E(B-V)）は約0.05から0.2の範囲にあり、銀河系よりも高いダストガス比の証拠が得られた。
• リーマンα脱出率は主にダスト吸収によって支配されており、内在的EWが分かっている場合にEW_obsとE(B-V)の関係を示す簡単なフィット式が提案された。
• 内在的リーマンα等価幅は11個のLBGsのうち8つで約50–100 Åであり、10–100 Myrにわたる連続的星形成と整合的であった。残りの3つの対象は若い星形成を示唆していた。
• z~3におけるLBGsとLAEsの明確な重複が確認された：EW(Lyα)_{obs} > 20 ÅのLBGsの約20–25%がR_AB = 25.5 magより明るいLAEsと一致しており、放射線輸送およびダスト効果が赤方偏移に伴うLAE/LBG比の増加を自然に説明できる。