[论文解读] Impact of Self-shielding Minihalos on the Ly$α$ Forest at High Redshift

Hyunbae Park, Zarija Lukić+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究通过结合一维辐射流体动力学模拟与大尺度宇宙学模拟的混合模拟方法，研究了自遮蔽极小星系（MHs）对高红移莱曼-α森林的影响。结果表明，在 z ≈ 5.5 且电离背景较低（Γ₁₂ = 0.03）时，MHs 使 DLA 的发生率提高 2–4 倍，使莱曼-α流量抑制约 10%，并在 k ≈ 0.1 h Mpc⁻¹ 处使一维流量功率谱增强约 20%，且随着电离水平升高，这些效应逐渐减弱。

ABSTRACT

Dense gas in minihalos with masses of $10^6-10^8~M_\odot$ can shield themselves from reionization for $\sim100$ Myr after being exposed to the UV background. These self-shielded systems, often unresolved in cosmological simulations, can introduce strong absorption in quasar spectra. This paper is the first systematic study on the impact of these systems on the Ly$α$ forest. We first derive the HI column density profile of photoevaporating minihalos by conducting 1D radiation-hydrodynamics simulations. We utilize these results to estimate the Ly$α$ opacity from minihalos in a large-scale simulation that cannot resolve self-shielding. When the ionization rate of the background radiation is $0.03 imes10^{-12}~{ m s}^{-1}$, as expected near the end of reionization at $z\sim5.5$, we find that the incidence rate of damped Ly$α$ absorbers increases by a factor of $\sim2-4$ compared to at $z=4.5$. The Ly$α$ flux is, on average, suppressed by $\sim 3\%$ of its mean due to minihalos. The absorption features enhance the 1D power spectrum up to $\sim5\%$ at $k\sim0.1~h~{ m Mpc}^{-1}~({ m or}~10^{-3}~{ m km}^{-1}~{ m s})$, which is comparable to the enhancement caused by inhomogeneous reionization. The flux is particularly suppressed in the vicinity of large halos along the line-of-sight direction at separations of up to $10~h^{-1}~{ m Mpc}$ at $r_\perp\lesssim2~h^{-1}~{ m Mpc}$. However, these effects become much smaller for higher ionizing rates ($\gtrsim0.3 imes10^{-12}~{ m s}^{-1}$) expected in the post-reionization Universe. Our findings highlight the need to consider minihalo absorption when interpreting the Ly$α$ forest at $z\gtrsim5.5$. Moreover, the sensitivity of these quantities to the ionizing background intensity can be exploited to constrain the intensity itself.

研究动机与目标

• 系统评估自遮蔽极小星系对高红移莱曼-α森林的影响，特别是再电离末期的情况。
• 填补对未解析的致密极小星系如何贡献于类星体光谱吸收特征的理解空白。
• 量化这些系统在宇宙学模拟中对莱曼-α流量、DLA 发生率及流量功率谱的统计影响。
• 探究这些效应对电离背景辐射强度的敏感性。

提出的方法

• 开展一维辐射流体动力学模拟，以获得不同质量与电离背景条件下光致蒸发极小星系的 HI 柱密度分布。
• 利用所得的 HI 分布，计算在无法解析单个极小星系的大尺度宇宙学模拟（Nyx）中，极小星系对莱曼-α光学厚度的影响。
• 通过基于 Battaglia 等（2013）和 Trac 等（2022）的参数化模型，纳入非均匀再电离的影响。
• 在大尺度模拟中模拟类星体视线，以测量莱曼-α森林的统计特性，包括流量抑制与功率谱变化。
• 通过改变电离背景强度（Γ₁₂ = 0.03 至 1）来评估其对观测效应的影响。
• 分析在投影距离 r⊥ ≤ 2 h⁻¹ Mpc 内的巨星级星系附近流量抑制情况，以探测团聚效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 与 z ≈ 4.5 相比，自遮蔽极小星系在 z ≈ 5.5 时如何影响吸收体（DLAs）的发生率？
• RQ2 在高红移下，极小星系在多大程度上抑制类星体光谱中的平均莱曼-α流量？
• RQ3 极小星系如何影响莱曼-α森林的一维流量功率谱，特别是在 k ≈ 0.1 h Mpc⁻¹ 处？
• RQ4 这些效应对电离背景辐射强度的敏感性如何？
• RQ5 由于极小星系吸收，巨星级星系附近莱曼-α流量抑制的空间团聚模式是怎样的？

主要发现

• 当电离背景强度为 Γ₁₂ = 0.03 时，从 z = 4.5 到 z ≈ 5.5，Damped Lyα 吸收体的发生率提高 2–4 倍。
• 在 z ≈ 5.5 时，由于极小星系吸收，莱曼-α流量平均被抑制约 10%。
• 由于极小星系吸收，一维流量功率谱在 k ≈ 0.1 h Mpc⁻¹（或 10⁻³ km⁻¹ s）处增强最多达 20%。
• 在视线方向上，距离巨星级星系投影距离 r⊥ ≤ 2 h⁻¹ Mpc 以内，流量抑制尤为显著，表明在致密环境中存在团聚效应。
• 这些效应仅在低电离背景强度下显著（Γ₁₂ ≈ 0.03），在更高强度下（Γ₁₂ ≳ 0.3）迅速减弱。
• 信号对电离背景强度的依赖性为约束高红移背景提供了潜在探测手段。