[論文レビュー] Hot Halos around High Redshift Protogalaxies: Observations of O VI and N V Absorption in Damped Lyman Alpha systems

Andrew J. Fox, Patrick Petitjean+2 more|CERN Bulletin|Jan 15, 2007

Scientific Research and Discoveries被引用数 52

ひとこと要約

本研究は、z = 2.1–3.1の35個のダムプド・ライマン・アルファ（DLA）システムにおけるVLT/UVESデータを用いて、O VIおよびその他の高イオン吸収の最初の体系的探索を実施し、12個のシステムでO VIを検出。広帯域O VIによる衝突電離プラズマ相（高温）と、狭帯域C IV/Si IVによる温暖光電離相（温性）を特定。高イオン成分が超新星駆動の噴流に関連する証拠が得られ、高温ハローが高赤方偏移の原始銀河に総バリオン質量の40％以上および金属の顕著な割合を保持している可能性を示唆。

ABSTRACT

(ABRIDGED) We present a study of the highly ionized gas (plasma) associated with damped Lyman-alpha (DLA) systems at z=2.1-3.1. We search for O VI absorption and corresponding Si IV, C IV, and N V in a Very Large Telescope/Ultraviolet-Visible Echelle Spectrograph (VLT/UVES) sample of 35 DLA systems with data covering O VI at S/N>10. We report twelve DLAs (nine intervening and three at <5000 km/s from the QSO redshift) with detections of O VI absorption. There are no clear O VI non-detections, so the incidence of O VI in DLAs is between 34% (12/35) and 100%. Analysis of the line widths together with photoionization modelling suggests that two phases of DLA plasma exist: a hot, collisionally ionized phase (seen in broad O VI components), and a warm, photoionized phase (seen just in narrow C IV and Si IV components). We find tentative evidence (98% confidence) for correlations between the DLA metallicity (measured in the neutral gas) and high-ion column density, and between the DLA metallicity and high-ion line width, as would be expected if supernova-driven galactic outflows rather than accretion produced the high ions. Using conservative ionization corrections, we find lower limits to the total hydrogen column densities in the hot (O VI-bearing) and warm (C IV-bearing) phases in the range log N(Hot H II) >19.5 to >21.1, and log N(Warm H II) >19.4 to >20.9. On average, the hot and warm phases thus contain >40% and >20% of the baryonic mass of the neutral phase in DLAs, respectively. If the temperature in the O VI phase is ~10^6 K and so f(O VI)=O VI/O<<0.2 the plasma can make a significant contribution to the metal budget at high redshift.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移におけるダムプド・ライマン・アルファ（DLA）システムに存在する高温で高電離されたプラズマの存在と物理的性質を調査すること。DLAは現代のディスク銀河の主要な前身である。
• 観測されたO VIおよびその他の高イオン吸収（C IV, Si IV, N V）が、光電離か衝突電離かを特定し、降着とフィードバックの起源を区別すること。
• 高温および温暖電離相がDLAの全バリオン質量および金属含有量に果たす寄与を定量化し、z ≈ 2における金属の欠落問題を解明すること。
• 超新星駆動の噴流を示すプローブとして、DLAの金属量と高イオン吸収の性質（列密度や運動学的特徴）との相関関係を検証すること。

提案手法

• O VI（1031–1037 Å）の高信噪比VLT/UVESスペクトル（S/N > 10）を用いた分析。log N(H I) ≥ 20.3を満たす35個のDLAシステムを対象。
• VPFITおよびCLOUDY光電離モデルを用いてイオン列密度を測定し、電離平衡を検証。保守的な質量推定のため、f_OVI < 0.2およびf_CIV < 0.3の電離分率を用いる。
• O VI, C IV, Si IV, N Vのラインプロファイルを比較し、共存性と相構造を推定。非線形なN_CIV/N_OVI比が複数相の証拠であると特定。
• 高イオン成分と中性ガス（H I）との間のドップラー速度オフセットを測定し、流入・流出を推定。最大±400 km s⁻¹のシフトを観測。
• スピアマン順位相関を用いた統計的分析により、DLAの金属量（[Z/H]_Neut）、O VI列密度（log N_OVI）、C IVのドップラー幅（Δv_CIV）の関係を検証。
• 電離補正および中央金属量の仮定を用いて、高温（O VIを伴う）および温暖（C IVを伴う）相の全水素列密度を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移のDLAシステムにおけるO VI吸収の出現頻度はどの程度か。また、何パーセントのDLAが検出可能な高温プラズマを有しているか。
• RQ2 観測された高イオン（O VI, C IV, Si IV, N V）は、光電離か衝突電離によって生成されているのか。これはガスの熱的および力学的状態にどのような示唆を与えるか。
• RQ3 DLAにおける高温および温暖電離相の全バリオン質量および金属含有量はどの程度か。中性ガスと比較するとどうなるか。
• RQ4 DLAの金属量と高イオン吸収の性質との間に物理的関連性があるか。これは高温プラズマのフィードバック駆動起源を支持するか。
• RQ5 高イオンと中性ガスとの間の運動的オフセットは、噴流または流入によって説明可能か。その速度範囲はどの程度か。

主な発見

• 35個のDLAシステムのうち12個（34％～100％の出現頻度）でO VI吸収が検出され、明確な非検出例は認められず、高赤方偏移の原始銀河に高温プラズマが広く存在していることが示唆された。
• C IVとSi IVは、データが入手可能な全システムで検出され、N VはN Vカバレッジがある9系統中3系統で検出された。これは複数相プラズマ構造と整合的である。
• O VIのラインプロファイルは広帯域であり、C IV/Si IVの狭帯域成分とは非一致であった。CLOUDYモデリングにより単一相の光電離解は排除され、高温で衝突電離された相（O VI, N V）と温暖で光電離された相（C IV, Si IV）を含む二相モデルが支持された。
• 高イオン成分とH I吸収との間で最大±400 km s⁻¹のドップラー速度シフトが観測され、流入または流出を示唆。C IV吸収体の幅は通常、中性ガスの2倍程度であった。
• 98％の信頼水準で、DLAの金属量（[Z/H]_Neut）とlog N_OVI、およびΔv_CIVの間で正の相関が確認され、高イオンが超新星駆動の噴流によって生成された可能性が支持された。
• 保守的な電離補正により、log N_HII^Hot > 19.5 ～ >21.1およびlog N_HII^Warm > 19.4 ～ >20.9の下限が得られ、高温相は中性ガスのバリオン質量の少なくとも40％、温暖相は少なくとも20％を占めると示された。f_OVI ≪ 0.2かつT ≈ 10⁶ Kの条件下では、O VI相がz ≈ 2で金属予算の1％以上を占める可能性がある。