[论文解读] Evolution of the Lyman-α emitting fraction and UV properties of lensed star-forming galaxies between 2.9 < z < 6.7

Ilias Goovaerts, R. Pelló+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2023

Real-time simulation and control systems参考文献 4被引用 1

一句话总结

本研究利用四个星系团的强引力透镜效应，探测红移 2.9 < z < 6.7 范围内的暗淡莱曼-α发射体（LAEs）和莱曼断裂星系（LBGs），达到 M1500 ≈ −12 和 log(LLyα) ≈ 39 erg s⁻¹ 的极限。研究揭示了莱曼-α发射体分数（XLAE）的双峰演化：紫外明亮星系的 XLAE 随红移趋近 z ≈ 6 时上升，而紫外暗淡星系的 XLAE 下降，表明在再电离区域中存在低等效宽度（EW）、紫外明亮的莱曼-α发射体群体。

ABSTRACT

Faint galaxies are theorised to have played a major role in reionising the Universe. Their properties as well as the Lyman-α emitter fraction, could provide useful insight into this epoch. We use four galaxy clusters from the Lensed Lyman-alpha MUSE Arcs Sample (LLAMAS) which also have deep HST photometry to select a population of intrinsically faint Lyman Break Galaxies (LBGs) and Lyman-alpha Emitters (LAEs). We study the interrelation of these two populations, their properties, and the fraction of LBGs that display Lyman-alpha emission. The use of lensing clusters allows us to access an intrinsically faint population, the largest sample collected for this purpose: 263 LAEs and 972 LBGs between redshifts of 2.9 and 6.7, Lyman-alpha luminosities between 39.5 &lt; log(L)(erg/s) &lt; 42 and absolute UV magnitudes between -22 &lt; M1500 &lt; -12. We find a redshift evolution of the Lyman-alpha emitter fraction in line with past results, with diminished values above z = 6, taken to signify an increasingly neutral intervening IGM. Inspecting this redshift evolution with different limits on Lyman-alpha equivalent width (EW) and M1500 we find that the Lyman-alpha emitter fraction for the UV-brighter half of our sample is higher than the fraction for the UV-fainter half, a difference which increases at higher redshift. This is a surprising result and can be interpreted as a population of low Lyman-alpha EW, UV-bright galaxies situated in reionised bubbles. This result is especially interesting in the context of similar, UV-bright, low Lyman-alpha EW objects recently detected around the epoch of reionisation. We extend to intrinsically fainter objects the previously observed trends of LAEs among LBGs as galaxies with high star-formation rates and low dust content, as well as the strongest LAEs having in general fainter UV magnitudes and steeper UV slopes.

研究动机与目标

• 研究暗淡、高红移星系中莱曼-α发射体分数（XLAE）的演化。
• 探讨暗淡星形成星系中莱曼-α发射、紫外光度与尘埃含量之间的相互作用。
• 利用透镜样本评估暗淡星系在宇宙再电离中的作用。
• 探索连续谱未检测到的莱曼-α发射体的存在及其对整体莱曼-α发射体群体的贡献。

提出的方法

• 利用来自 LLAMAS 样本的四个强引力透镜星系团的哈勃空间望远镜（HST）深度测光和 MUSE 积分场光谱（IFS）数据。
• 在 2.9 < z < 6.7 范围内识别出 972 个 LBG 和 263 个 LAE，其莱曼-α光度低至 log(LLyα) ≈ 39 erg s⁻¹。
• 定义了独立样本：具有和不具有连续谱对应体的 LAE，以及一类独特的连续谱未检测到的 LAE。
• 将样本按紫外光度分为两半：紫外明亮（M1500 ≤ −18）和紫外暗淡（M1500 > −18），以比较 XLAE 的演化。
• 测量等效宽度（EWLyα）和紫外谱指数（β），以评估尘埃含量和恒星形成率。
• 比较 fesc,UV 和 fesc,Lyα，以探究电离辐射逃逸分数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z = 2.9 至 z = 6.7 之间，暗淡、透镜化星系中的莱曼-α发射体分数（XLAE）如何随红移演化？
• RQ2 在暗淡星系中，紫外光度（M1500）、莱曼-α等效宽度（EWLyα）与 XLAE 之间存在何种关系？
• RQ3 在 M1500 > −16 范围内是否存在显著的连续谱未检测到的莱曼-α发射体群体，其在整体 LAE 群体中扮演何种角色？
• RQ4 紫外明亮与紫外暗淡星系群体中 XLAE 的演化有何不同？
• RQ5 电离辐射逃逸分数的相对比较（fesc,UV 与 fesc,Lyα）对暗淡星系中尘埃含量与星系演化提供了何种启示？

主要发现

• 紫外明亮样本的 XLAE 随红移趋近 z ≈ 6 时上升，而紫外暗淡样本的 XLAE 下降，且在最高红移区间存在统计显著差异。
• 紫外明亮与紫外暗淡样本间 XLAE 演化差异表明，再电离区域中存在低等效宽度、紫外明亮的莱曼-α发射体，与近期在再电离时期附近探测到的结果一致。
• 当移除 25 Å 等效宽度限制后，两组样本之间的明显差异依然存在，证实低等效宽度 LAE 主要集中在紫外明亮星系中。
• 紫外暗淡星系平均表现出更大的莱曼-α等效宽度（EWLyα），这一趋势可能持续至 M1500 ≈ −12。
• 紫外明亮样本的 fesc,UV 高于 fesc,Lyα，与更年老、更富含尘埃、化学演化程度更高的星族一致，尽管对更暗淡星系的不确定性仍然较大。
• 即使在最深的 HST 测光数据下，M1500 > −16 范围内仍存在显著的连续谱未检测到的 LAE，表明未来詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）巡天对解析其性质至关重要。