[论文解读] New $z > 7$ Lyman-alpha Emitters in EGS: Evidence of an Extended Ionized Structure at $z \sim 7.7$

Intae Jung, Steven L. Finkelstein+22 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 14

一句话总结

本研究利用凯克/莫菲拉光谱仪对扩展格罗思条带区域进行观测，发现了8个红移 z > 7 的莱曼-α发射体，揭示了目前所知最大规模的 z ∼ 7.7 莱曼-α发射体星团。高莱曼-α探测率与空间聚集特征表明存在一个扩展的电离区，电离泡相互重叠，从而增强了莱曼-α光子的逃逸，这可能是部分电离的星系际介质中辐射转移效应所致。

ABSTRACT

We perform a ground-based near-infrared spectroscopic survey using the Keck/MOSFIRE spectrograph to target Ly$α$ emission at $7.0$4$σ$ level in eight $z>7$ galaxies, which include additional members of the known $z\sim7.7$ Ly$α$-emitter (LAE) cluster (Tilvi et al. 2020). With the addition of these newly-discovered $z\sim7.7$ LAEs, this is currently the largest measured LAE cluster at $z>7$. The unusually-high Ly$α$ detection rate at $z\sim7.7$ in this field suggests significantly stronger Ly$α$ emission from the clustered LAEs than from the rest of our targets. We estimate the ionized bubble sizes around these LAEs and conclude that the LAEs are clustered within an extended ionized structure created by overlapping ionized bubbles which allow the easier escape of Ly$α$ from galaxies. It is remarkable that the brightest object in the cluster has the lowest measured redshift of the Ly$α$ line, being placed in front of the other LAEs in the line-of-sight direction. This suggests that we are witnessing the enhanced IGM transmission of Ly$α$ from galaxies on the rear side of an ionized area. This could be a consequence of Ly$α$ radiative transfer: Ly$α$ close to the central velocity is substantially scattered by the IGM while Ly$α$ from the rear-side galaxies is significantly redshifted to where it has a clear path.

研究动机与目标

• 利用高红移莱曼-α发射，探测再电离时期星系际介质（IGM）的电离状态。
• 研究早期宇宙中莱曼-α的可见度与逃逸率，特别是 z > 7 时 IGM 中性分数较高的区域。
• 确定 z ∼ 7.7 附近莱曼-α发射体的聚集是否表明星系际介质中存在大尺度电离区或“气泡”。
• 评估辐射转移在部分电离星系际介质中对莱曼-α线轮廓与逃逸概率的影响。
• 检验位于电离区背后的星系莱曼-α发射是否因共振散射效应而受到 IGM 衰减减少。

提出的方法

• 利用凯克/莫菲拉仪器在地基进行近红外光谱调查，针对扩展格罗思条带区域中 61 个红移 7.0 < z < 8.2 的星系进行莱曼-α发射探测。
• 覆盖了宇宙组装近红外深外星系遗产调查（CANEDELS）场内约 10′ × 10′ 的有效天空区域。
• 以 >4σ 的显著性阈值测量莱曼-α发射线，以识别确认的高红移莱曼-α发射体。
• 基于恒星种群的电离光子产生率，利用莱曼-α光度与红移估算单个莱曼-α发射体周围的电离泡尺寸。
• 分析莱曼-α发射体的空间聚集特征，并通过电离泡重叠推断大尺度电离结构的存在。
• 使用 SED 拟合与测光红移验证光谱红移，并排除低红移污染源。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高红移星系密集场中，z ∼ 7.7 处的莱曼-α探测率是多少？是否高于随机抽样预期？
• RQ2 z ∼ 7.7 处莱曼-α发射体的聚集是否可由大尺度电离区中电离泡重叠来解释？
• RQ3 星团成员的莱曼-α线轮廓与红移分布如何提示辐射转移效应导致的增强透射？
• RQ4 星团中最亮的莱曼-α发射体（观测红移最低）是否位于电离区之后，从而实现更清晰的莱曼-α逃逸？
• RQ5 电离泡重叠与 IGM 透射在多大程度上影响 z > 7 处观测到的莱曼-α光度函数？

主要发现

• 在 z > 7 范围内检测到 8 个新的莱曼-α发射体，显著性 >4σ，使该区域 z ∼ 7.7 莱曼-α发射体总数增至 13 个，形成目前所知最大规模的 z > 7 莱曼-α发射体星团。
• z ∼ 7.7 处的莱曼-α探测率显著高于其他区域，表明莱曼-α可见度增强，可能归因于大尺度电离结构。
• 莱曼-α发射体的空间聚集特征表明其位于一个扩展的电离区中，电离泡相互重叠，使星系的莱曼-α辐射更容易逃逸。
• 星团中最亮成员的莱曼-α观测红移最低，表明其在视线方向上位于星团后方，与莱曼-α通过电离区的辐射转移效应一致。
• 后方星系的莱曼-α发射被红移到 IGM 低消光窗口，减少了共振散射，相比源位置发射具有更高的透射率。
• 基于莱曼-α光度估算的电离泡尺寸表明，该星团位于一个尺度约为 10–20 Mpc 的电离泡区域中，与大尺度电离结构一致。