[論文レビュー] The UV spectrum of HS1700+6416 II. FUSE observations of the HeII Lyman alpha forest

C. Fechner, D. Reimers+12 more|ArXiv.org|May 5, 2006

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 55被引用数 45

ひとこと要約

本研究では、再電離後の銀河間媒体におけるHe ii/H i吸収率比（η）を測定するために、クェเซアHS 1700+6416のFUSE遠紫外分光観測を実施した。線幅プロファイル適合法と顕著光学厚さ法を用いて解析した結果、z ≈ 2.6でη ≈ 100が得られ、これは星形成銀河などのソフトな電離源からの寄与が顕著であることを示唆している。ηの散らばりは予想されるノイズを上回っており、紫外背景放射に実際のフラクチュエーションが存在することを示唆している。

ABSTRACT

We present the far-UV spectrum of the quasar HS1700+6416 taken with FUSE. This QSO provides the second line of sight with the HeII absorption resolved into a Ly alpha forest structure. Since HS1700+6416 is slightly less redshifted (z=2.72) than HE2347-4342, we only probe the post-reionization phase of HeII, seen in the evolution of the HeII opacity, which is consistent with a simple power law. The HeII/HI ratio eta is estimated using a line profile-fitting procedure and an apparent optical depth approach, respectively. The expected metal line absorption in the far-UV is taken into account as well as molecular absorption of galactic H_2. About 27% of the eta values are affected by metal line absorption. In order to investigate the applicability of the analysis methods, we create simple artificial spectra based on the statistical properties of the HI Ly alpha forest. The analysis of the artificial data demonstrates that the apparent optical depth method as well as the line profile-fitting procedure lead to confident results for restricted data samples only (12.0 < log N(HI) < 13.0). The reasons are saturation in the case of the apparent optical depth and thermal line widths in the case of the profile fits. Furthermore, applying the methods to the unrestricted data set may mimic a correlation between eta and the strength of the HI absorption. For the restricted data samples a scatter of 10 - 15% in eta would be expected even if the underlying value is constant. The observed scatter is significantly larger than expected, indicating that the intergalactic radiation background is indeed fluctuating. In the redshift range 2.58 < z < 2.72, where the data quality is best, we find eta ~ 100, suggesting a contribution of soft sources like galaxies to the UV background.

研究の動機と目的

• クェーサーHS 1700+6416の高分解能FUSE分光データを用いて、銀河間媒体におけるHe ii/H i吸収率比（η）を測定すること。
• 金属線およびH2吸収が存在する状況下で、ηを導出するための2つの解析手法（線幅プロファイル適合法と顕著光学厚さ法）の信頼性を評価すること。
• ηとH i吸収強度の間の観測された相関関係が物理的要因によるものか、解析手法の制限に起因するアーチファクトかを調査すること。
• 金属線吸収および銀河系H2吸収がη測定に与える影響と、それらの統計的バイアスを評価すること。
• 紫外背景放射が空間的にフラクチュエートしているか、それとも滑らかなべき乗則スペクトルに従っているかを検討すること。

提案手法

• クェーサーHS 1700+6416のFUSE遠紫外分光観測を用いて、z ≈ 2.72におけるHe ii Lyαフォレスト吸収を検出した。
• 顕著光学厚さ法をHe iiおよびH i線に適用し、飽和バイアスを避けるためにτ_Hi ∈ [0.01, 0.1]に制限した。
• 熱的幅拡散の影響を最小限に抑えるために、log N_Hi ∈ [12.0, 13.0]のHe ii吸収体に対して線幅プロファイル適合を実施した。
• H i Lyαフォレスト統計に基づいて人工分光データを生成し、手法の頑健性と系統的バイアスの特定を試みた。
• 金属線吸収モデル（Fechner et al. 2006）および銀河系H2吸収を組み込んで、誤ったHe ii吸収特徴の補正を実施した。
• 金属線系の光電離モデルを用いてηを独立に推定し、適合結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HS 1700+6416の視線方向における銀河間媒体におけるHe ii/H i吸収率比（η）は何か？ これは電離放射場に何を示唆するか？
• RQ2 金属線およびH2吸収特徴は、He ii Lyαフォレストにおけるη測定にどの程度バイアスを及えるか？
• RQ3 ηとH i吸収強度の間の観測された相関関係は物理的要因由来か、それとも解析手法の制限に起因するアーチファクトか？
• RQ4 ηの散らばりが測定ノイズに起因するものよりも大きい場合、それは紫外背景放射に実際の空間的フラクチュエーションが存在することを示唆するか？
• RQ5 線幅拡大の仮定（乱流的 vs. 熱的）が、η測定の信頼性にどのように影響するか？

主な発見

• 赤方偏移2.58 < z < 2.72の範囲で、平均的なHe ii/H i吸収率比はη ≈ 100（log η ≈ 2.0）であり、これは星形成銀河などのソフトな電離源からの寄与が顕著であることを示唆している。
• 約27%のHe ii線が金属線吸収に影響を受けており、19%はΔlog η > 0.01を示しており、個々の測定値にバイアスが生じる可能性がある。
• ηの散らばりは測定ノイズに起因する10–15%よりも大きいことが判明し、紫外背景放射に実際の空間的フラクチュエーションが存在することを示唆している。
• 顕著光学厚さ法とプロファイル適合法は、制限付きデータサンプルに適用した場合には一貫性のある結果を得たが、制限なしのデータに適用すると系統的バイアスが生じた。
• 純粋な乱流的線幅拡大を仮定すると系統的誤差が生じるため、将来的な解析では熱的幅拡大を考慮する必要がある。
• 観測されたη値は、クェーサーとソフトな電離源の混合による紫外背景放射に一致しており、H i透過率および元素比濃度の最近の研究結果を支持している。