[논문 리뷰] Revisiting the LyC Escape Fraction Crisis: Predictions for z > 6 from Locals

Andreas L. Faisst|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 20.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 15인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 직접 측정이 불가능한 z > 6에서의 라이만 연속성 탈출 분율(f_(esc))을 국소 고적색변위 유사체를 사용하여 예측한다. [OIII]/[OII] 비율과 적색변위 진화를 조합하여, log(M/M⊙) ~ 9.0인 경우 z=6에서 f_(esc) = 5.7⁺⁸.³₋₃.₃% 및 z=9에서 f_(esc) = 10.4⁺¹⁵.⁵₋₆.³%를 도출한다. f_(esc)는 항성 질량 감소와 함께 증가하며, 평균 은하 집단이 z ~ 6에 도달할 무렵 우주 재이온화를 완료할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The intrinsic escape fraction of ionizing Lyman continuum photons (f_(esc)) is crucial to understand whether galaxies are capable of reionizing the neutral hydrogen in the early universe at z>6. Unfortunately, it is not possible to access f_(esc) at z>4 with direct observations and the handful of measurements from low redshift galaxies consistently find f_(esc) 6 by combining the (sparsely populated) relation between [OIII]/[OII] and f_(esc) with the redshift evolution of [OIII]/[OII] as predicted from local high-z analogs selected by their Hα equivalent-width. We find f_(esc) = 5.7^(+8.3)_(−3.3)% at z=6 and f_(esc) = 10.4^(+15.5)_(−6.3)% at z=9 for galaxies with log(M/M⊙) ~ 9.0 (errors given as 1σ). However, there is a negative correlation with stellar mass and we find up to 50% larger f_(esc) per 0.5 dex decrease in stellar mass. The population averaged escape fraction increases according to f_(esc) = f_(esc,0)((1+z)/3)^ α, with f_(esc,0)=2.3±0.05% and α=1.17±0.02 at z > 2 for log(M/M⊙) ~ 9.0. With our empirical prediction of f_(esc) (thus fixing an important previously unknown variable) and further reasonable assumption on clumping factor and the production efficiency of Lyman continuum photons, we conclude that the average population of galaxies is just capable to reionize the universe by z ~ 6.

연구 동기 및 목표

• 직접 측정이 불가능한 z > 6에서 f_(esc)를 예측함으로써 'LyC 탈출 분율 위기'를 해결하고자 한다.
• 우주 재이온화 모델링에서 핵심 미지수인 f_(esc)의 불확실성을 다루고자 한다.
• Hα 등가폭을 활용한 국소 고적색변위 유사체를 사용하여 f_(esc)의 적색변위 진화를 추론하고자 한다.
• 항성 질량과 적색변위에 따른 f_(esc)의 의존성을 log(M/M⊙) ~ 9.0인 은하에 대해 정량화하고자 한다.
• empirical f_(esc) 제약 조건을 활용하여 평균 은하 집단이 z ~ 6에 도달할 무렵 우주를 재이온화할 수 있는지 평가하고자 한다.

제안 방법

• 직접 측정된 f_(esc)를 보유한 저적색변위 은하를 이용하여 [OIII]/[OII] 복사선 비율과 f_(esc) 간의 경험적 연관성을 확립한다.
• 국소 고적색변위 유사체에서 관측된 [OIII]/[OII]의 적색변위 진화를 적용하여 f_(esc)를 z > 6로 외삽한다.
• 국소 은하에서 관측된 [OIII]/[OII]와 f_(esc) 간의 상관관계를 활용하여 고적색변위에서의 f_(esc)를 모델링한다.
• f_(esc)를 적색변위와 항성 질량의 함수로 모델링하기 위해 거듭제곱 법칙 형태 f_(esc) = f_(esc,0) × ((1+z)/3)^α 를 사용한다.
• 클러스터링 인자 및 이온화 광자 생성 효율에 대한 합리적 가정을 통합하여 재이온화 잠재력을 평가한다.
• f_(esc)의 1σ 신뢰구간을 [OIII]/[OII]–f_(esc) 관계 및 적색변위 진화의 오차 전파를 통해 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 log(M/M⊙) ~ 9.0인 은하에 대해 국소 유사체를 기반으로 z = 6 및 z = 9에서 예측된 LyC 탈출 분율은 무엇인가?
• RQ2 f_(esc)는 항성 질량에 어떻게 의존하며, 질량이 0.5 dex 감소할 때마다 비율은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 고정된 항성 질량을 가진 은하에서 f_(esc)의 적색변위 진화는 어떻게 나타나며, 어떤 방식으로 매개변수화되는가?
• RQ4 z > 6에서의 평균 은하 집단이 충분한 이온화 광자를 방출하여 우주를 재이온화할 수 있는가?
• RQ5 f_(esc)의 불확실성 및 클러스터링 및 광자 생성에 대한 가정이 재이온화 결론에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• log(M/M⊙) ~ 9.0인 은하에 대해 z = 6에서 예측된 f_(esc)는 5.7⁺⁸.³₋₃.₃%이다.
• 동일한 항성 질량에서 z = 9에서 예측된 f_(esc)는 10.4⁺¹⁵.⁵₋₆.³%이다.
• 항성 질량이 0.5 dex 감소할 때마다 f_(esc)는 최대 50% 증가하여 강한 음의 질량 의존성이 있음을 시사한다.
• f_(esc)의 적색변위 진화는 f_(esc) = f_(esc,0) × ((1+z)/3)^α 형태로 따라가며, z > 2에서 f_(esc,0) = 2.3 ± 0.05% 및 α = 1.17 ± 0.02로 기술된다.
• empirical f_(esc)와 합리적인 클러스터링 및 이온화 효율 가정을 통합하면, 평균 은하 집단은 z ~ 6에 도달할 무렵 우주를 재이온화할 수 있을 정도로 충분하다.
• 질량과 적색변위 의존성을 적절히 고려할 경우, 집단 평균 f_(esc)는 재이온화 예산을 메우기에 충분하다.