[論文レビュー] Interstellar and Circumgalactic Properties of an Unseen $z=6.84$ Galaxy: Abundances, Ionization, and Heating in the Earliest Known Quasar Absorber

Robert A. Simcoe, Masafusa Onoue+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2020

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、赤方偏移 z=7.54 のクェเซア ULAS J1342 のスペクトルにおける吸収線を用いて、赤方偏移 z=6.84 の銀河の銀間および銀河周囲媒質を高分解能の FIRE および XShooter スペクトロスコピーで分析する。金属量が低く、温暖で中性の媒体が判明し、C IV や Si IV が検出されないことは、イオン化された物質への金属の豊富な混合がほとんどないことを示唆する。また、C II* 細分裂数線が検出され、宇宙背景放射（CMB）を超える局所的加熱源が存在することを示唆する。これらの結果は、金属の混合が限定的で、初期段階の化学的進化が進行していることを示している。

ABSTRACT

We analyze relative abundances and ionization conditions in a strong absorption system at z=6.84, seen in the spectrum of the z=7.54 background quasar ULAS J134208.10+092838.61. Singly ionized C, Si, Fe, Mg, and Al measurements are consistent with a warm neutral medium that is metal-poor but not chemically pristine. Firm non-detections of C IV and Si IV imply that any warm ionized phase of the IGM or CGM has not yet been enriched past the ultra-metal-poor regime (<0.001Z_{solar}), unlike lower redshift DLAs where these lines are nearly ubiquitous. Relative abundances of the heavy elements 794 Myr after the Big Bang resemble those of metal-poor damped Lyman Alpha systems at intermediate redshift and Milky Way halo stars, and show no evidence of enhanced [alpha/Fe], [C/Fe] or other signatures of yields dominated by massive stars. A detection of the CII* fine structure line reveals local sources of excitation from heating, beyond the level of photo-excitation supplied by the CMB. We estimate the total and [CII] cooling rates, balancing against ISM heating sources to develop an heuristic two-phase model of the neutral medium. The implied heating requires a surface density of star formation slightly exceeding that of the Milky Way but not at the level of a strong starburst. For a typical (assumed) NHI=10^{20.6}, an abundance of [Fe/H]=-2.2 matches the columns of species in the neutral phase. To remain undetected in C IV, a warm ionized phase would either need much lower [C/H]<-4.2 over an absorption path of 1 kpc, or else a very small absorption path (a few pc). While still speculative, these results suggest a significant reduction in heavy element enrichment outside of neutral star forming regions of the ISM, as would be expected in early stages of galactic chemical evolution.

研究の動機と目的

• クェーサー吸収線を用いて、赤方偏移 z=6.84 の銀河の銀河内および銀河周囲の性質を特定すること。
• 中性ガス相における C、Fe、Si、Al、Mg の相対的豊度を測定すること。
• この初期宇宙におけるイオン化状態および加熱メカニズムを調査すること。
• C IV や Si IV が非検出であることを踏まえて、温暖なイオン化相の存在と金属量を評価すること。
• ISM を二相モデルとしてモデル化し、星形成率および冷却率を制約すること。

提案手法

• Magellan および VLT テレスコープに搭載された FIRE および XShooter 計測器を用いた高分解能スペクトロスコピー。
• マーカフ・チェイン・モンテカルロ法を用いて、観測された吸収線から吸収断面密度および豊度比を導出する。
• C II* 1334.53 Å の細分製数線を用いて、CMB による光励起を超える局所的加熱源を推定する。
• Cloudy による光電離モデルを適用し、C IV や Si IV のイオン化状態および吸収断面密度予測を検討する。
• 冷却（[C II] および全冷却率を介して）と星形成による加熱をバランスさせるヒューリスティックな二相ISMモデル。
• 豊度決定の基準とするために、典型的な HI 吸収断面密度 10^20.6 cm⁻² を仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 この z=6.84 の吸収体の中性ガスにおける C、Fe、Si、Al、Mg の相対的豊度は何か？
• RQ2 低イオン化線が強く見られるにもかかわらず、なぜ C IV や Si IV 線は検出されないのか？
• RQ3 C II* 細分製数線の励起の起源は何か？ これはどのような局所的加熱を示唆するか？
• RQ4 観測されたイオン化状態および豊度パターンは、低赤方偏移の DLAs やミルキーウェイのハロー星とどのように比較できるか？
• RQ5 C IV や Si IV が非検出であることは、温暖なイオン化相の金属量および経路長にどのような制約を課えるか？

主な発見

• 中性ガスの金属量は [Fe/H] = -2.2 であり、金属量が低く、しかし完全に純粋な環境ではないことを示している。
• 相対的豊度は金属量が低い DLA やミルキーウェイのハロー星と類似しており、[α/Fe] や [C/Fe] の増加した兆候は見られない。
• C II* 線の検出は、CMB を超える局所的加熱源が存在することを示唆し、これはミルキーウェイのそれよりもわずかに高い星形成表面密度を必要とする。
• C IV や Si IV が欠落していることは、いかなる温暖なイオン化相であっても、[C/H] < -4.2 あるいは非常に短い経路長（≤8 pc）でなければならないことを示唆し、金属の混合が限定的であることを示している。
• Cloudy モデルの結果、ミルキーウェイと同等の金属量と 1 kpc の経路長を持つ温暖なイオン化相は、検出可能な C IV を生成するが、観測結果と矛盾する。
• この系は、質量が約 10⁸–10⁹ M☉ の SMC に類似た銀河であり、星形成率は約 1 M☉ yr⁻¹、[C II] 等価光度はやや低い水準であると整合的である。