[論文レビュー] The Luminosity Function of Bright QSOs at z ∼ 4 and Implications for the Cosmic Ionizing Background

K. Boutsia, A. Grazian+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 83被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、南天の12,400 deg²にわたるQUBRICS調査を用いて、z ∼ 4における明るいクェーサーの等価放射度関数を提示する。この調査では58個のQSOが同定された。前例のない深さの絶対等級で測定された、明るい端の勾配（β = −4.025）が急で、空間密度（2.61×10⁻¹⁰ Mpc⁻³）も高い。これは、M₁₄₅₀ < −18であるAGNが、z ∼ 4における宇宙のイオン化背景を完全に説明できることを示しており、光子イオン化率はlog(Γ/s⁻¹) = −12.17⁺⁰.¹³₋₀.₀₇である。

ABSTRACT

Based on results by recent surveys, the number of bright quasars at redshifts z>3 is being constantly revised upwards. Current consensus is that at bright magnitudes ($M_{1450}\le -27$) the number densities of such sources could have been underestimated by a factor of 30-40%. In the framework of the QUBRICS survey, we identified 58 bright QSOs at 3.6$\le z \le $4.2, with magnitudes $i_{psf}\le$18, in an area of 12400$deg^{2}$. The uniqueness of our survey is underlined by the fact that it allows us, for the first time, to extend the sampled absolute magnitude range up to $M_{1450}= -29.5$. We derived a bright-end slope of $\beta=-4.025$ and a space density at $<M_{1450}>=-28.75$ of 2.61$ imes 10^{-10} Mpc^{-3}$ comoving, after taking into account the estimated incompleteness of our observations. Taking into account the results of fainter surveys, AGN brighter than $M_{1450}=-23$ could produce at least half of the ionizing emissivity at z$\sim$4. Considering a mean escape fraction of 0.7 for the QSO and AGN population, combined with a mean free path of 41.3 proper Mpc at $z=3.9$, we derive a photoionization rate of $Log(\Gamma [s^{-1}])=-12.17^{+0.13}_{-0.07}$, produced by AGN at M$_{1450}<-18$, i.e. ~100% of the measured ionizing background at z~4.

研究の動機と目的

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• z ∼ 4における明るいQSOの空間密度を、絶対等級の深さにかけて前例のない精度で特定すること。
• z ∼ 4におけるAGNの宇宙イオン化背景への寄与を評価すること。
• 観測されたQSOの等価放射度関数が理論的モデルおよび以前の調査と整合しているかを検証すること。

提案手法

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• QUBRICS調査は、SkyMapper、Gaia、2MASS、WISEの多波長光度測定を用いて、高赤方偏移QSO候補を同定した。
• 既知のQSOを用いて訓練された標準的相関分析（CCA）を適用し、源をQSO候補として分類した。
• 1/Vmax法を用いて等価放射度関数を導出し、調査の不完全性を補正した。
• 光子イオン化発生率と光子イオン化率は、z = 3.9における平均LyC透過率0.7および平均自由行程41.3プロパーMpcを用いて計算した。
• 結果は、半アナリティカルモデルおよびSDSSやELQSなどの先行調査と比較された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 .
• RQ2 z ∼ 4における明るいQSOの真の空間密度は何か？ そして、以前の推定値と比べてどう異なるか？
• RQ3 M₁₄₅₀ < −18のAGNが、z ∼ 4における観測されたイオン化背景をどの程度まで生成できるか？
• RQ4 z ∼ 4における等価放射度関数は、理論的モデルおよび以前の調査と比べてどう異なるか？
• RQ5 調査の完全性および選択関数が、導出された等価放射度関数に与える影響は何か？

主な発見

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• QUBRICS調査は、z ∼ 4におけるQSOの等価放射度関数を、M₁₄₅₀ = −29.5まで延長した。これは、z ∼ 4で観測された中で最も明るい絶対等級である。
• 等価放射度関数の明るい端の勾配はβ = −4.025と測定され、以前の推定値よりも顕著に急である。
• 平均絶対等級<M₁₄₅₀> = −28.75におけるQSOの空間密度は2.61×10⁻¹⁰ Mpc⁻³であり、SDSSの推定値と比較して30–40%高い。
• M₁₄₅₀ < −18であるAGNは、log(Γ/s⁻¹) = −12.17⁺⁰.¹³₋₀.₀₇の光子イオン化率を生成し、z ∼ 4における観測されたイオン化背景と整合的である。
• 等価放射度関数は、Fanら（2001）、Akiyamaら（2018）など、以前のフィット結果と矛盾しており、特に明るい等級で顕著である。
• 結果は、AGNが、透過率や平均自由行程の不確実性を考慮しても、z ∼ 4における銀河間媒体のイオン化状態を維持できることを示唆している。