[论文解读] Lyman Alpha Emitters at Redshift z=5.7

James E. Rhoads, Sangeeta Malhotra|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2001

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 101

一句话总结

本文基于大范围莱曼-α（LALA）巡天，呈现了一个在红移 z ≈ 5.7 处的光度选择性莱曼-α发射体样本，表明这些低光度源在中性星际介质（IGM）散射下仍保持紧凑且未受扰动。此类发射体的探测意味着再电离过程必须在 z > 5.7 前完成，且观测到的源密度略高于无演化模型的预期，暗示此时期仍存在活跃的星系形成。

ABSTRACT

Lyman alpha galaxies at high redshifts offer a powerful probe of both the formation of galaxies and the reionization of the intergalactic medium. Lyman alpha line emission is an efficient tool for identifying young galaxies at high redshift, because it is strong in systems with young stars and little or no dust-- properties expected in galaxies undergoing their first burst of star-formation. Lyman alpha galaxies also provide a robust test of the reionization epoch that is independent of Gunn-Peterson trough observations in quasar spectra and is better able to distinguish line center optical depths tau=5 from tau=10^5. This is because neutral gas scatters Lyman alpha photons, dramatically ``blurring'' images of Lyman alpha galaxies embedded in a neutral intergalactic medium and rendering them undetectable. We present a photometrically selected sample of z=5.7 Lyman alpha emitters derived from the Large Area Lyman Alpha survey. The presence of these low-luminosity Lyman alpha sources at z=5.7 immediately implies that the reionization redshift was > 5.7. Comparing these objects to our earlier z=4.5 sample, we find that the number of z=5.7 emitters at fixed line luminosity marginally exceeds the no-evolution expectation, but falls well short of published model predictions. The equivalent width distribution is similar at the two redshifts. The large equivalent widths of the Lyman alpha line indicate young galaxies undergoing their first star formation.

研究动机与目标

• 利用窄带测光方法识别并表征红移 z ≈ 5.7 处的高红移莱曼-α发射体。
• 将莱曼-α发射体的可探测性作为独立于冈恩-彼得森深陷观测的再电离时期探针。
• 检验莱曼-α发射体的数密度是否从 z ≈ 4.5 演化至 z ≈ 5.7，以约束星系形成与再电离的时间线。
• 评估中性 IGM 中共振散射对莱曼-α源可探测性的影响，结合形态与光度约束进行分析。

提出的方法

• 在基特峰的梅代尔 4 米望远镜上，使用中心波长分别为 815 nm 和 823 nm 的定制窄带滤光片，开展窄带巡天，目标为 z ≈ 5.7 处的莱曼-α发射。
• 通过微调与叠加曝光，总积分时间达约 9.85 小时（815 nm 滤光片）和约 9 小时（823 nm 滤光片），以最大化深度与覆盖范围。
• 应用测光选择方法，基于窄带与宽波段滤光片之间过量流量识别候选体，并通过等效宽度与紧凑形态进行确认。
• 通过建模共振散射与史托姆格雷球形成过程，评估中性 IGM 中的源可探测性，要求电离泡直径大于 ~1.2 Mpc 以避免吸收。
• 利用本征等效宽度与光度约束，计算所需电离光子逃逸分数与源年龄，以判断莱曼-α光子是否能逃逸中性 IGM。
• 将 z ≈ 5.7 处的源数密度与 z ≈ 4.5 处的对比，检验演化效应并推断再电离红移的边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 莱曼-α发射体在 z ≈ 5.7 是否可探测？其可探测性对星际介质状态有何启示？
• RQ2 z ≈ 5.7 处莱曼-α发射体的数密度是否超过无演化模型的预期？这暗示了高红移星系形成的何种情况？
• RQ3 莱曼-α源未出现形态展宽，是否可排除 z ≈ 5.7 处存在中性 IGM？
• RQ4 z ≈ 5.7 处发射体的观测等效宽度与光度如何约束电离光子逃逸分数与源年龄？
• RQ5 与冈恩-彼得森深陷观测相比，莱曼-α源数密度能否提供更稳健的再电离检验，特别是在区分中等与极端光学深度方面？

主要发现

• 在红移 z ≈ 5.7 处识别出 10 个紧凑且低光度的莱曼-α发射体，其本征等效宽度 ≥ 80 Å，表明其为年轻、尘埃贫乏的恒星种群。
• 源的紧凑形态（在 ~1″ 分辨率下未解析）排除了中性 IGM 中显著的共振散射，暗示 z ≈ 5.7 时 IGM 已被电离。
• 在固定线性光度下，z ≈ 5.7 处莱曼-α发射体的数密度略高于无演化预测，表明从 z ≈ 4.5 至 z ≈ 5.7 间源密度略有增加。
• 观测到的源密度低于部分理论模型的预测，提示与高红移恒星形成情景可能存在张力。
• 再电离红移被约束为 z_r > 5.7，因为若 IGM 为中性，莱曼-α发射体将因共振散射而不可见，但实际已被探测到。
• 分析表明，莱曼-α发射体在中性 IGM 中光学深度 τ ~ 10^4 以内仍可保持可探测性，但实际观测源与该条件不一致，确认其处于电离环境。