[论文解读] Predicting Lyman-alpha escape fractions with a simple observable: Lyman-alpha in emission as an empirically calibrated star formation rate indicator

David Sobral, Jorryt Matthee|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 116被引用 27

一句话总结

本文提出了一种简单的经验校准，将莱曼-α等效宽度（EW₀）与莱曼-α逃逸分数（f_esc,LYα）关联起来，仅通过莱曼-α光度即可实现对恒星形成率（SFR）的精确估计。关键结果为 f_esc,LYα = 0.0048 × EW₀ ± 0.05，与尘埃修正后的Hα测量相比，该结果将SFR不确定性降低至±0.2 dex以内。

ABSTRACT

Lyman-alpha (Lya) is intrinsically the brightest line emitted from active galaxies. While it originates from many physical processes, for star-forming galaxies the intrinsic Lya luminosity is a direct tracer of the Lyman-continuum (LyC) radiation produced by the most massive O- and early-type B-stars with lifetimes of a few Myrs. As such, Lya luminosity should be an excellent instantaneous star formation rate (SFR) indicator. However, its resonant nature and susceptibility to dust as a rest-frame UV photon makes Lya very hard to interpret due to the uncertain Lya escape fraction, f$_{esc,Lyα}$. Here we explore results from the CALYMHA survey at z=2.2, follow-up of Lya emitters (LAEs) at z=2.2-2.6 and a z~0-0.3 compilation of LAEs to directly measure f$_{esc,Lyα}$ with H-alpha (Ha). We derive a simple empirical relation that robustly retrieves f$_{esc,Lyα}$ as a function of Lya rest-frame EW (EW$_0$): f$_{esc,Lyα}$= 0.0048 EW$_0$[A]$\pm0.05$ and we show that it constrains a well-defined anti-correlation between ionisation efficiency and dust extinction in LAEs. Observed Lya luminosities and EW$_0$ are easy measurable quantities at high redshift, thus making our relation a practical tool to estimate intrinsic Lya and LyC luminosities under well controlled and simple assumptions. Our results allow observed Lya luminosities to be used to compute SFRs for LAEs at z~0-2.6 within 0.2 dex of the Ha dust corrected SFRs. We apply our empirical SFR(Lya,EW$_0$) calibration to several sources at z>2.6 to find that star-forming LAEs have SFRs typically ranging from 0.1 to 20 M$_{\odot}$/yr and that our calibration might be even applicable for the most luminous LAEs within the epoch of re-ionisation. Our results imply high ionisation efficiencies and low dust content in LAEs across cosmic time, and will be easily tested with future observations with JWST.

研究动机与目标

• 通过直接可观测的物理量——莱曼-α等效宽度（EW₀）校准莱曼-α逃逸分数（f_esc,LYα），以克服解释莱曼-α光度时存在的不确定性。
• 建立f_esc,LYα与EW₀之间稳健的经验关系，避免依赖复杂的SED拟合或对电离效率（ξ_ion）和尘埃消光的假设。
• 实现仅基于莱曼-α光度对宇宙时空中莱曼-α发射体（LAEs）的恒星形成率（SFR）进行精确估计。
• 测试该校准在高红移LAEs（z ≥ 2.6）中的适用性，包括可能与再电离时期相关的源。
• 为未来詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）观测提供可检验的框架，通过在高红移LAEs上直接测量Hα和Hβ进行验证。

提出的方法

• 利用程序098.A-0819和099.A-0254的多波段VLT观测，通过尘埃修正后的Hα光度测量z ≈ 0–2.6红移范围内莱曼-α发射体（LAEs）的f_esc,LYα。
• 将z ≈ 0–0.3的LAE样本与高红移LAE样本结合，推导出f_esc,LYα与莱曼-α静止帧等效宽度EW₀之间的线性经验关系。
• 基于观测到的莱曼-α光度与由LyC追踪的内在SFR的直接比较，推导出校准公式：f_esc,LYα = 0.0048 × EW₀[Å] ± 0.05。
• 将该校准应用于估计内在莱曼-α和莱曼连续谱光度，并推导出具有最小离散度的新SFR(Lyα, EW₀)指示器。
• 利用该关系推断电离效率（ξ_ion）与尘埃消光（E(B-V)）的趋势，揭示LAEs中存在紧密的ξ_ion–E(B-V)负相关关系。
• 通过将基于莱曼-α推导的SFR与尘埃修正后的Hα SFR进行比较，验证了校准的稳健性，结果散度仅为±0.2 dex。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅依靠莱曼-α等效宽度（EW₀）是否能够预测莱曼-α发射体（LAEs）的莱曼-α逃逸分数（f_esc,LYα），而无需依赖SED拟合或复杂假设？
• RQ2 f_esc,LYα–EW₀关系中的内在离散度是多少？其随红移和EW₀范围如何变化？
• RQ3 在基于EW₀的f_esc,LYα校准修正后，莱曼-α光度在多大程度上可作为可靠的恒星形成率（SFR）指示器？
• RQ4 在LAEs中，电离效率（ξ_ion）与尘埃消光（E(B-V)）之间存在何种相关性？该关系是否可由观测到的f_esc,LYα–EW₀关系解释？
• RQ5 f_esc,LYα–EW₀校准是否适用于z ≥ 2.6的最明亮LAEs，特别是在宇宙再电离背景下的适用性如何？

主要发现

• 建立了稳健的线性关系：f_esc,LYα = 0.0048 × EW₀[Å] ± 0.05，可直接从一个简单且可直接测量的物理量预测莱曼-α逃逸分数。
• 该校准使与尘埃修正后Hα SFR相比，SFR的不确定性降低至±0.2 dex以内，使莱曼-α成为z ≈ 0–2.6范围内LAEs的实用SFR指示器。
• 高EW₀ LAEs在f_esc,LYα–EW₀关系中表现出极小的离散度（≈0.1 dex），表明其为尘埃贫乏、高电离状态的同质化星系群体。
• 该关系暗示LAEs中电离效率较高（log₁₀(ξ_ion/Hz erg⁻¹) ≈ 25.4–25.6），且尘埃消光较低（E(B-V) ≈ 0.05–0.1），且该趋势在宇宙时空中保持稳定。
• z ≈ 2–6的恒星形成LAEs的典型SFR范围为0.1至20 M⊙ yr⁻¹，其中MUSE识别的LAEs的SFR ≈ 1.7 ± 0.3 M⊙ yr⁻¹，而更明亮的LAEs的SFR为12⁺⁹₋₅ M⊙ yr⁻¹。
• 该校准与UV基SFR在SFR >30–40 M⊙ yr⁻¹时具有良好一致性，表明其在再电离时期最明亮LAEs中可能具有适用性，尽管IGM效应可能影响较暗源。