[논문 리뷰] Ly$α$ Emission at $z=7-13$: Clear Ly$α$ Equivalent Width Evolution Indicating the Late Cosmic Reionization History

Minami Nakane, Masami Ouchi외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 JWST/NIRSpec 분광법을 사용하여 z=6.6–13 범위의 53개의 은하에서 Lyα 발광을 분석하여 적색편이가 증가함에 따라 Lyα 등가폭이 뚜렷하게 감소하는 것으로 나타났다. 결과적으로 이는 중성 수소 분율이 x_H I ≈ 0.59 at z∼7, 0.81 at z∼8, 0.99 at z∼9–13로 증가함을 시사하며, 이는 우주 재이온화가 늦게 일어났음을 의미한다. 따라서 재이온화 원천은 일반적으로 예상되는 낮은 질량의 약한 은하가 아니라 중간 질량의 군집일 가능성이 높다.

ABSTRACT

We present the evolution of Ly$α$ emission derived from 53 galaxies at $z=6.6-13.2$ that are identified by multiple JWST/NIRSpec spectroscopy programs of ERS, GO, DDT, and GTO. These galaxies fall on the star-formation main sequence and are the typical star-forming galaxies with UV magnitudes of $-22.5\leq M_\mathrm{UV}\leq-17.0$. We find that 15 out of 53 galaxies show Ly$α$ emission at the $>3σ$ levels, and obtain Ly$α$ equivalent width (EW) measurements and stringent $3σ$ upper limits for the 15 and 38 galaxies, respectively. Confirming that Ly$α$ velocity offsets and line widths of our galaxies are comparable with those of low-redshift Ly$α$ emitters, we investigate the redshift evolution of the Ly$α$ EW. We find that Ly$α$ EWs statistically decrease towards high redshifts on the Ly$α$ EW vs. $M_{ m UV}$ plane for various probability distributions of the uncertainties. We then evaluate neutral hydrogen fractions $x_{ m HI}$ with the Ly$α$ EW redshift evolution and the cosmic reionization simulation results on the basis of a Bayesian inference framework, and obtain $x_{ m HI}<0.79$, $=0.62^{+0.15}_{-0.36}$, and $0.93^{+0.04}_{-0.07}$ at $z\sim7$, $8$, and $9-13$, respectively. These moderately large $x_{ m HI}$ values are consistent with the Planck CMB optical depth measurement and previous $x_{ m HI}$ constraints from galaxy and QSO Ly$α$ damping wing absorptions, and strongly indicate a late reionization history. Such a late reionization history suggests that major sources of reionization would emerge late and be hosted by moderately massive halos in contrast with the widely-accepted picture of abundant low-mass objects for the sources of reionization.

연구 동기 및 목표

• JWST/NIRSpec 데이터를 활용하여 고적색편이 은하에서의 Lyα 등가폭(EW)의 적색편이 진화를 측정하기 위해.
• 관측된 Lyα EW 경향을 바탕으로 간성간 매질(IGM) 내 중성 수소 분율(x_H I)을 추론하기 위해.
• 관측된 Lyα EW 진화를 이론 모델과 CMB 제약 조건과 비교하여 우주의 재이온화 시점에 대한 테스트를 수행하기 위해.
• Lyα 탈출의 적색편이 및 UV 등급 의존성 평가를 통해 재이온화가 빨리 일어났는지 늦게 일어났는지를 평가하기 위해.
• Lyα 특성과 x_H I 추정치를 기반으로 주요 재이온화 원천의 주변 군집 질량 척도를 결정하기 위해.

제안 방법

• 여러 JWST 프로그램(ERS, ERO, GO, DDT, GTO)을 통해 z=6.6–13.2 범위의 53개 은하의 분광적 적색편이 및 Lyα 발광 특성(EW, 속도 이격, 선 폭)을 확보하였다.
• 15개의 Lyα 검출 은하에 대해 스펙트럼 피팅을 수행하여 Lyα EW 및 운동학적 특성을 측정하였으며, 38개의 비검출 은하에 대해 3σ 상한선을 유도하였다.
• 적색편이 구간(z∼7, 8, 9–13)에서 Lyα EW 대 M_UV의 선형 피팅 분석을 수행하였으며, 다양한 확률 분포를 사용하여 절단된 상한선을 고려하였다.
• 베이지안 추론을 적용하여 관측된 Lyα EW 분포를 시뮬레이션 모델(Dijkstra et al. 2011)과 비교하고, 각 적색편이 구간에서 x_H I 값을 추정하였다.
• magnitude 편향을 최소화하고 적색편이 구간 간에 유사한 UV 빛의 세기 분포를 확보하기 위해 M_UV ≤ -18 이고 z ≥ 7 인 42개의 은하를 선별하였다.
• CMB 광학적 투과도(Planck), QSO/GRB 감쇠 날개, UV 연속기 모델링(Umeda et al. 2023)과의 독립적 제약 조건을 바탕으로 결과를 교차 검증하였다.

Figure 1: Spectra of the public-data sample. Each panel shows the two-dimensional spectrum (top) and the one-dimensional spectrum (bottom). The black solid lines and shaded regions represent the observed spectra and associated $1\sigma$ errors, respectively. The vertical red dashed lines represent t

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색편이 은하에서 Lyα 등가폭은 적색편이에 따라 진화하는가? 만약 그렇다면, 이 진화는 간성간 매질의 중성 수소 분율에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ2 관측된 Lyα EW 경향과 이론 모델을 기반으로 z∼7, 8, 9–13에서 추정된 중성 수소 분율 x_H I는 얼마인가?
• RQ3 추정된 x_H I 값은 CMB, QSO 감쇠 날개, Lyα 빛의 세기 함수와의 독립적 제약 조건과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 Lyα EW 진화는 늦은 재이온화 시나리오를 지지하는가? 이는 주요 재이온화 원천의 질량 척도에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 z∼2–3과 z∼7–13 간의 Lyα 발광 운동학적 특성(속도 이격 및 선 폭)은 일관된가? 이는 안정된 복사전달 조건을 시사하는가?

주요 결과

• Lyα 등가폭(EW)은 Lyα EW 대 M_UV 도표에서 적색편이가 증가함에 따라 통계적으로 유의미하게 감소하며, 이는 변화하는 간성간 매질의 중성 수소 분율을 시사한다.
• 중성 수소 분율은 z∼7에서 x_H I = 0.59⁺⁰.¹⁵₋₀.³³, z∼8에서 0.81⁺⁰.⁰⁹₋₀.²⁶, z∼9–13에서 0.99⁺⁰.⁰¹₋₀.⁰⁵로 추정되며, 강한 적색편이 진화를 보인다.
• 이 x_H I 값들은 Planck CMB 광학적 투과도 측정치와 다른 독립적 제약 조건(예: QSO 감쇠 날개, Lyα 빛의 세기 함수)과 일치한다.
• 관측된 Lyα EW 진화는 절단된 상한선에 대한 다양한 통계 처리 방법에 대해 뚜렷하게 유지되며, 이는 데이터 불확실성에 기인한 오염이 아님을 확인한다.
• z∼2–3에서 z∼7–13로의 Lyα 속도 이격 또는 선 폭에 유의미한 진화가 발견되지 않아, 증가하는 간성간 매질의 중성 수소 분율에도 불구하고 안정된 복사전달 조건이 유지됨을 시사한다.
• Lyα EW 진화에서 유도된 늦은 재이온화 역사에 따르면 주요 재이온화 원천은 일반적으로 예상되는 낮은 질량의 약한 은하가 아니라 중간 질량의 군집에 존재했음을 의미한다.

Figure 1: Continued.