[论文解读] Ly-alpha emitters in the GOODS-S field: a powerful pure nebular SED with N IV] emission at z=5.563

Anna Raiter, R. A. E. Fosbury+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2009

Astronomy and Astrophysical Research被引用 17

一句话总结

本研究在 GOODS-S场中识别出一个红移z = 5.563的高红移Lyα发射体，其具有强烈的N iv] 1486 Å发射线，表明其光谱能量分布（SED）主要由纯电离气体发射主导，而非老年恒星种群。通过使用CLOUDY进行光致电离建模，作者表明，一个温度约为100 kK的热黑体电离源与低金属度（约5%太阳值）可重现观测到的SED，包括因[O iii]发射落入IRAC波段而产生的表观巴耳末跃迁，这挑战了以往将此类源解释为演化系统的观点。

ABSTRACT

[abridged] From a sample of Ly-alpha emitters in the GOODS-S field with uncontaminated photometry and optical (red) spectroscopy, we select a spatially compact object at a redshift of 5.563 (Ly-alpha) that shows a second emission line, identified as N IV] 1486 A. The SED is modelled in a way that accounts for both the N IV] line emission and the photometry in a self-consistent way. The photoionization code CLOUDY is used to calculate a range of nebular models as a function of stellar ionizing source temperature, ionization parameter, density and nebular metallicity. We compare the theoretical and observed magnitudes and search for the model parameters that also reproduce the observed N IV] luminosity and equivalent width. A nebular model with a hot blackbody ionizing source of around 100 kK and a nebular metallicity of ~5% of solar is able to fit the observed SED and, in particular, explain the large apparent Balmer break which is inferred from the pure stellar population model fitting conventionally applied to multi-band photometric observations. In our model, an apparent spectral break is produced by strong [O III] 4959, 5007 A emission falling in one of the IR bands (IRAC1 in this case). A lower limit on the total baryonic mass of a model of this type is 3.2 x 10^8 Msun . It is argued that objects with Ly-alpha emission at high redshift that show an apparent Balmer break may have their SED dominated by nebular emission and so could possibly be identified with very young starbursting galaxies rather than massive evolved stellar populations. Detailed studies of these emission nebulae with large telescopes will provide a unique insight into very early chemical evolution.

研究动机与目标

• 重新评估在光谱能量分布（SED）中表现出表观巴耳末跃迁的高红移Lyα发射体的本质，这些源传统上被解释为大质量、演化的恒星种群。
• 探究电离气体发射过程（特别是强[O iii]和N iv]线）是否能在光变SED中模拟出巴耳末跃迁的外观。
• 确定能够重现源GDS J033218.92−275302.7的观测SED和谱线发射的物理条件（电离源温度、金属度、密度、电离参数）。
• 评估电离气体主导SED对早期星系形成与化学演化的影响。

提出的方法

• 利用HST/ACS、Spitzer/IRAC以及地面近红外仪器的测光数据，构建了Lyα发射体GDS J033218.92−275302.7的完整SED。
• 通过VIMOS/FORS2的光学光谱确认了红移（z = 5.563），并识别出1486 Å处的第二条发射线为N iv] 1486 Å。
• 使用CLOUDY代码进行光致电离建模，以探索电离源温度、电离参数、电子密度和电离气体金属度的参数空间。
• 将理论星等与线源亮度与观测到的测光及谱线流量进行比较，以约束最佳拟合模型。
• 检验了表观巴耳末跃迁是否源于[O iii] 4959、5007 Å发射线落入IRAC1波段（3.6 μm）所致。
• 在假设恒定恒星形成历史的前提下，从模型中推导出总重子质量的下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移Lyα发射体中观测到的表观巴耳末跃迁是否可由电离气体发射解释，而非具有强烈年龄梯度的恒星种群？
• RQ2 重现该Lyα发射体的N iv] 1486 Å发射和SED所需的物理条件是什么？
• RQ3 观测到的SED是否与年轻、低金属度星暴系统一致，而非演化的大质量恒星种群？
• RQ4 在高红移星系中，电离气体发射在紫外至近红外波段SED中可主导到何种程度？

主要发现

• 采用温度约为100,000 K的热黑体电离源与约5%太阳金属度的电离气体模型，最能重现观测到的SED和N iv]光度。
• 表观巴耳末跃迁并非源于恒星种群的跃迁，而是由于强[O iii] 4959、5007 Å发射线落入IRAC1波段（3.6 μm）所致。
• 观测到的SED主要由电离气体发射主导，表明该源很可能为年轻、低金属度的星暴星系，而非演化系统。
• 模型推导出总重子质量的下限为3.2 × 10⁸ M☉，与紧凑、大质量的恒星形成系统一致。
• 在高红移处观测到强N iv]发射极为罕见，表明其处于高度电离、低金属度环境，支持存在年轻恒星种群的结论。
• 本研究表明，电离气体发射过程可显著改变对高红移星系SED的解释，尤其是在仅依赖光变跃迁进行判断时。