[論文レビュー] Silverrush. IX. Lyα intensity mapping with star-forming galaxies at z = 5.7 and 6.6: Lyα emission extended at > 150 comoving kpc beyond the virial-radius scale of galaxy dark matter halos

Ryota Kakuma, Masmi Ouchi+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 6被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、z = 5.7および6.6におけるSubaru/HSCの超深帯域画像およびLyα発光星系（LAE）カタログを用い、星形成銀河から150コンフォーミングkpcを超えて広がる拡散的Lyα放射を検出する。z = 5.7では3σの有意水準、z = 6.6では2σの有意水準を示す。拡散的放射の表面輝度は約10⁻²⁰–10⁻¹⁹ erg s⁻¹ cm⁻² arcsec⁻²であり、これは中心からのLyα放射と、冷たいガスの流れや吹き出しといった未知の源の組み合わせによるものであり、解像度の低い衛星銀河によるものではない。

ABSTRACT

We present results of the cross-correlation Lya intensity mapping with Subaru/Hyper Suprime-Cam (HSC) ultra-deep narrowband images and Lya emitters (LAEs) at $z=5.7$ and $6.6$ in a total area of $4$ deg$^2$. Although overwhelming amount of data quality controls have been performed for the narrowband images and the LAE samples, we further conduct extensive analysis evaluating systematics of large-scale point spread function wings, sky subtractions, and unknown errors on the basis of physically uncorrelated signals and sources found in real HSC images and object catalogs, respectively. Removing the systematics, we carefully calculate cross-correlations between Lya intensity of the narrowband images and the LAEs. We identify very diffuse Lya emission with the $3\sigma$ ($2\sigma$) significance at $>150$ comoving kpc (ckpc) far from the LAEs at $z = 5.7$ ($6.6$), beyond a virial radius of star-forming galaxies with $M_\mathrm{h} \sim 10^{11} M_\odot$. The diffuse Lya emission possibly extends up to $1,000$ ckpc with the surface brightness of $10^{-20}-10^{-19}$ erg s$^{-1}$ cm$^{-2}$ arcsec$^{-2}$. We confirm that the small-scale ($<150$ ckpc) Lya radial profiles of LAEs in our Lya intensity maps are consistent with those obtained by recent MUSE observations (Leclercq et al. 2017). Comparisons with numerical simulations suggest that the large-scale ($\sim 150-1,000$ ckpc) Lya emission are not explained by unresolved faint sources of neighboring galaxies including satellites, but by a combination of Lya photons emitted from the central LAE and other unknown sources, such as a cold-gas stream and galactic outflow. We find no evolution in the Lya radial profiles of our LAEs from $z=5.7$ to $6.6$, where theoretical models predict a flattening of the profile slope made by cosmic reionization, albeit with our moderately large observational errors.

研究の動機と目的

• 星形成銀河の有効半径を超えて150コンフォーミングkpc以上のスケールで拡散的Lyα放射を検出し、特徴づけること。
• PSFの尾部、スカイ減算、未知の誤差といった、帯域画像およびLAEカタログにおけるシステムティックな誤差を評価・軽減すること。
• 観測された大スケールのLyα放射が、解像度の低い微弱な源によるものかどうかを評価し、追加の物理的メカニズムを要するかどうかを判断すること。
• z = 5.7とz = 6.6におけるLyα径方向プロファイルを比較し、宇宙の再イオン化に伴う予想される進化を検証すること。
• 独立したMUSE観測および数値シミュレーションと照合して、強度マッピングの結果を検証すること。

提案手法

• 4 deg²にわたる領域で、Subaru/HSCの超深帯域画像から得られたLyα強度マップとLAEカタログとの間で相互相関を実施する。
• 物理的に相関のない信号および実際のHSC画像のアーチファクトを用いて、厳密なデータ品質管理とシステムティック誤差の評価を実施する。
• 150コンフォーミングkpcを超えてLyα径方向プロファイルを測定し、統計的誤差の伝播とシステムティック要因の除去を用いて有意水準を評価する。
• 観測されたLyαプロファイルを最近のMUSE観測結果と比較し、小スケールの形態を検証する。
• 数値シミュレーションを用いて、解像度の低い衛星銀河か、拡張された放射メカニズム（例：ガスの流れ、吹き出し）のどちらが大スケール放射を最もよく説明するかを検証する。
• 観測誤差を考慮した上で、z = 5.7とz = 6.6の間でのLyαプロファイルの赤方偏移による進化を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z = 5.7および6.6の星形成銀河から150コンフォーミングkpcを超えて検出可能なLyα放射が存在するか？
• RQ2 観測された大スケールのLyα放射が、衛星銀河のような解像度の低い微弱な源に起因するものと見なせるか？
• RQ3 有効半径を超えて広がる拡散的Lyα放射を最もよく説明する物理的メカニズム（例：ガスの流れ、銀河吹き出し）は何か？
• RQ4 z = 5.7におけるLAEのLyα径方向プロファイルとz = 6.6におけるものとの比較は、宇宙の再イオン化に伴う進化の兆候を示唆するか？
• RQ5 PSFの尾部やスカイ減算といったシステムティック要因が、拡散的Lyα放射の検出にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• LAEのz = 5.7では150コンフォーミングkpcを超えて3σの有意水準で拡散的Lyα放射が検出され、z = 6.6では2σの有意水準であり、1,000コンフォーミングkpcまで拡張している可能性がある。
• 拡散的放射の表面輝度は10⁻²⁰–10⁻¹⁹ erg s⁻¹ cm⁻² arcsec⁻²で測定され、これは顕著で空間的に広がった成分であることを示している。
• 小スケール（<150 ckpc）のLyα径方向プロファイルは、最近のMUSE観測結果と整合しており、強度マッピング手法の妥当性が裏付けられた。
• 数値シミュレーションの結果、大スケール放射は解像度の低い衛星銀河だけでは説明できないことが示され、冷たいガスの流れや銀河吹き出しといった追加の源を示唆している。
• 宇宙の再イオン化に伴う理論的予想とは対照的に、z = 5.7とz = 6.6の間でLyα径方向プロファイルの顕著な進化は観測されなかった。
• PSFの尾部やスカイ減算といったシステムティック効果は厳密に評価され、除去されたため、拡散的放射の検出に対する信頼性が高まった。