[논문 리뷰] The ALMA REBELS Survey: Efficient Ly$α$ Transmission of UV-Bright z$\simeq$7 Galaxies from Large Velocity Offsets and Broad Line Widths

Ryan Endsley, Daniel P. Stark외 20명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 02.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 REBELS 조사에서 확보한 ALMA [CII] 적색편이를 바탕으로 MMT/Binospec 분광법을 사용해 UV로 밝은 z≈7 은하에서의 Lyα 발광을 조사한다. 넓고 적색편이된 Lyα 프로파일이 큰 속도 이완과 높은 천체역학적 질량으로 인해 중성 IGM를 효과적으로 통과시켜, 높은 중성 분율이 존재하는 것으로 예상되는 시기임에도 뚜렷한 Lyα 발광을 보이는 이유를 설명한다.

ABSTRACT

Recent work has shown that UV-luminous reionization-era galaxies often exhibit strong Lyman-alpha emission despite being situated at redshifts where the IGM is thought to be substantially neutral. It has been argued that this enhanced Ly$α$ transmission reflects the presence of massive galaxies in overdense regions which power large ionized bubbles. An alternative explanation is that massive galaxies shift more of their Ly$α$ profile to large velocities (relative to the systemic redshift) where the IGM damping wing absorption is reduced. Such a mass-dependent trend is seen at lower redshifts, but whether one exists at $z\sim7$ remains unclear owing to the small number of existing systemic redshift measurements in the reionization era. This is now changing with the emergence of [CII]-based redshifts from ALMA. Here we report MMT/Binospec Ly$α$ spectroscopy of eight UV-bright ($\mathrm{M_{UV}}^{}\sim-22$) galaxies at $z\simeq7$ selected from the ALMA REBELS survey. We detect Ly$α$ in 4 of 8 galaxies and use the [CII] systemic redshifts to investigate the Ly$α$ velocity profiles. The Ly$α$ lines are significantly redshifted from systemic (average velocity offset=223 km/s) and broad (FWHM$\approx$300$-$650 km/s), with two sources showing emission extending to $\approx$750 km/s. We find that the broadest Ly$α$ profiles are associated with the largest [CII] line widths, suggesting a potential link between the Ly$α$ FWHM and the dynamical mass. Since Ly$α$ photons at high velocities transmit efficiently through the $z=7$ IGM, our data suggest that velocity profiles play a significant role in boosting the Ly$α$ visibility of the most UV-luminous reionization-era galaxies.

연구 동기 및 목표

• z≈7에서 UV로 밝은 은하가 이 적색편이에서 기대되는 중성 IGM가 존재하는 상황에서도 강한 Lyα 발광을 보이는 이유를 이해한다.
• 큰 속도 이완과 넓은 선형 폭이 중성 간성간 매질(IGM)을 통한 투과성 향상에 기여하는지 조사한다.
• 천체역학적 질량이 [CII] 선 폭으로 유추되며, 이와 Lyα 프로파일의 넓이 및 속도 이완과의 상관관계를 검증한다.
• 운동학적 성질이 재이온화 시대 은하에서 Lyα의 가시성을 높이는 데 어떤 역할을 하는지 평가한다.
• 다중 파장의 ALMA 및 MMT 데이터를 활용해 고적색편이, 고질량 은하에서의 Lyα 탈출 메커니즘에 대한 경험적 제약 조건을 제공한다.

제안 방법

• ALMA REBELS 조사에서 선별한 8개의 UV로 밝은 (M_UV ≈ -22) z≈7 은하에 대해 MMT/Binospec 분광법을 수행했다.
• ALMA [CII] 158 μm 선 적색편이를 사용해 체계적 적색편이를 결정하고 Lyα 속도 프로파일을 보정했다.
• 체계적 적색편이 대비 Lyα 선 폭(FWHM)과 속도 이완을 측정하여 프로파일 형태를 평가했다.
• [CII] 선 폭을 천체역학적 질량과 운동 활동의 지표로 삼아 Lyα FWHM 및 속도 이완과 상관관계를 분석했다.
• 이론적 감쇠날개 흡수 모델과 관측된 Lyα 프로파일을 비교하여 IGM 투과 효율성을 평가했다.
• 속도 이완과 선 폭 추세의 유의미성을 평가하기 위해 통계적 분석을 적용했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UV로 밝은 z≈7 은하에서 중성 IGM를 통한 투과성을 높이기 위해 Lyα 발광에 큰 속도 이완이 관찰되는가?
• RQ2 Lyα 선 폭(FWHM)과 [CII] 선 폭 사이에 상관관계가 존재하는가? 이는 천체역학적 질량 또는 운동 활동과의 연관성을 시사하는가?
• RQ3 넓고 적색편이된 Lyα 프로파일이 z≈7에서 매우 중성적인 IGM 상황에서도 강한 Lyα 발광이 관측되는 이유를 어느 정도 설명하는가?
• RQ4 z≈7 은하의 Lyα 발광 운동학적 성질은 저적색편이 시스템과 비교해 어떻게 다른가? 이는 재이온화 시대 은하 진화에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 속도 이완과 선 폭 넓힘은 재이온화 시대 은하에서 IGM 감쇠날개 흡수를 극복하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• MMT/Binospec로 관측한 8개의 UV로 밝은 z≈7 은하 중 4개에서 Lyα 발광이 검출되었다.
• 검출된 소스에서 Lyα 선은 체계적 적색편이에서 크게 적색편이되어 있었으며, 평균 속도 이완은 223 km/s였다.
• Lyα 선은 넓은 프로파일을 보였고, 전체 폭의 반만 측정된 폭(FWHM)은 300에서 650 km/s 사이였으며, 두 개의 소스는 약 750 km/s까지 연장되었다.
• Lyα FWHM와 [CII] 선 폭 사이에 강한 상관관계가 발견되어 천체역학적 질량과 내부 운동학과의 연관성을 시사했다.
• 넓고 적색편이된 Lyα 프로파일은 고속도를 가진 광자가 감쇠날개 흡수를 줄여 중성 IGM를 효과적으로 통과시킨다는 점에서 효율적인 투과성과 일치한다.
• 이 운동학적 성질이 재이온화 시대에 가장 UV로 밝은 은하에서 관측된 강한 Lyα 가시성을 설명할 가능성이 높다.