[論文レビュー] Spectral Signatures of Population III and Envelope-stripped Stars in Galaxies at the Epoch of Reionization

Elizabeth Berzin, Amy Secunda+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 105被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、再電離時代の高赤方偏移銀河のスペクトルエネルギー分布（SED）を、人口III星に支配されるものと、二重星進化による剥がれ星に支配されるものとで比較する。電離領域の波長域で4つのSED指標を用い、剥がれ星は単一星系に比べてはるかに硬い電離スペクトルを発生させ、パワー・ロウ指数が低く、FUV対LyC光度比も低いことが判明。これは特に低光度系（MUV > −15）において、人口III星支配銀河と明確に区別可能である。

ABSTRACT

While most simulations of the epoch of reionization have focused on single-stellar populations in star-forming dwarf galaxies, products of binary evolution are expected to significantly contribute to emissions of hydrogen-ionizing photons. Among these products are stripped stars (or helium stars), which have their envelopes stripped from interactions with binary companions, leaving an exposed helium core. Previous work has suggested these stripped stars can dominate the LyC photon output of high-redshift low luminosity galaxies. Other sources of hard radiation in the early universe include zero-metallicity Population III stars, which may have similar SED properties to galaxies with radiation dominated by stripped star emissions. Here, we use two metrics (the power-law exponent over wavelength intervals 240-500 {A}, 600-900 {A}, and 1200-2000 {A}, and the ratio of total luminosity in FUV wavelengths to LyC wavelengths) to compare the SEDs of simulated galaxies with only single-stellar evolution, galaxies containing stripped stars, and galaxies containing Population III stars, with four different IMFs. We find that stripped stars significantly alter the SEDs in the LyC range of galaxies at the epoch of reionization. SEDs in galaxies with stripped stars present have lower power-law indices in the LyC range and lower FUV to LyC luminosity ratios. These differences in SEDs are present at all considered luminosities ($M_{UV} > -15$, AB system), and are most pronounced for lower luminosity galaxies. We also find that SEDs of galaxies with stripped stars and Pop III stars are distinct from each other for all tested IMFs.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移銀河におけるエンベロープ剥がれ星の特徴的なスペクトルエネルギー分布（SED）の特徴を特定すること。
• さまざまな初期質量関数（IMF）を想定した状況下で、剥がれ星に支配される銀河と人口III星に支配される銀河のSEDを比較すること。
• JWSTが電離領域およびFUVのスペクトル的性質に基づいて、これら2つの電離源を区別できるかどうかを検証すること。
• 二重星進化の生成物が、赤方偏移z ≈ 6–7の低質量・ポストスターバースト銀河におけるライマンコンtinuum（LyC）放射および脱出率にどのように影響するかを評価すること。

提案手法

• 10^8 から 10^10.5 M⊙ の高赤方偏移矮星銀河のSEDを、星族合成モデルを用いてシミュレートした。
• 4つのスペクトル指標を算出：240–500 Å、600–900 Å、1200–2000 Å の各波長範囲におけるパワー・ロウ指数、およびFUV対LyC光度比。
• 3つの状況をモデル化：単一星進化、剥がれ星、4種類の異なる初期質量関数（A–D）を用いた人口III星。
• 内部SEDにISM吸収を適用し、現実的な線路上の効果を再現した。
• 光度ビン（MUV > −15）ごとに指標分布の統計的比較を実施し、検出可能性と特徴の明確さを評価した。
• 結果は、既知の観測的制約およびJWSTの感度閾値と照合して妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 剥がれ星に支配される銀河のスペクトルエネルギー分布（SED）は、人口III星に支配されるものと電離領域で区別可能か？
• RQ2 さまざまな光度において、剥がれ星を含む銀河と含まない銀河との間で、スペクトルの硬さおよびFUV対LyC光度比にどのような差が生じるか？
• RQ3 低質量・ポストスターバースト銀河において、剥がれ星は赤方偏移z ≈ 6–7の状況でLyC放射および脱出率にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 さまざまな初期質量関数（IMF）において、剥がれ星と人口III星に支配される銀河のSED差は、どれほど頑健か？
• RQ5 JWST観測によって、電離SEDの特徴に基づいて、剥がれ星と人口III星の寄与を検出および分離できるか？

主な発見

• 剥がれ星に支配される銀河は、単一星系に比べてLyC領域（240–500 Å）で顕著に低いパワー・ロウ指数を示し、より硬い電離スペクトルであることが判明。
• FUV対LyC光度比は、剥がれ星に支配される銀河で体系的に低く、顕著な観測的識別子となる。
• これらのSED差は特に低光度銀河（MUV > −15）で顕著であり、MUV ≈ −15 から −14 の範囲で最大の対比が観測された。
• 剥がれ星に支配され、光度比が10から500の間の銀河の80％以上が、星形成終了から10 Myr以上経過していることが判明し、長期間にわたる電離的特徴が示された。
• 全テストされた初期質量関数（A–D）において、剥がれ星に支配される銀河と人口III星に支配される銀河のSEDは統計的に明確に異なる。指標分布に顕著な重なりは認められなかった。
• 最低光度ビンにおいて、剥がれ星的SEDを示す銀河のうち10 Myr以上経過したものの割合は約90％にまで上昇し、明確な進化的特徴が示された。