[论文解读] A Galactic Wind at z = 5.190

Steve Dawson, Hyron Spinrad+5 more|ArXiv.org|Jan 14, 2002

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 58被引用 62

一句话总结

本研究首次通过高分辨率光谱观测，直接提供了红移 z = 5.190 处星系风的证据，该观测基于一个暗淡、紧凑的莱曼-α发射体（ES1）的莱曼-α发射线。非对称的线轮廓——表现为陡峭的蓝端截止和展宽的红端翼——表明外流速度超过 300 km s⁻¹，与高红移星形成星系中由星暴驱动的星系风一致，为早期星系演化及紫外背景起源提供了新见解。

ABSTRACT

We report the serendipitous detection in high-resolution optical spectroscopy of a strong, asymmetric Ly-alpha emission line at z = 5.190. The detection was made in a 2.25 hour exposure with the Echelle Spectrograph and Imager on the Keck II telescope through a spectroscopic slit of dimensions 1" x 20". The progenitor of the emission line, J123649.2+621539 (hereafter ES1), lies in the Hubble Deep Field North West Flanking Field where it appears faint and compact, subtending just 0.3" (FWHM) with I(AB) = 25.4. The ES1 Ly-alpha line flux of 3.0 x 10^(-17) ergs/cm^2/s corresponds to a luminosity of 9.0 x 10^(42) ergs/s, and the line profile shows the sharp blue cut-off and broad red wing commonly observed in star-forming systems and expected for radiative transfer in an expanding envelope. We find that the Ly-alpha profile is consistent with a galaxy-scale outflow with a velocity of v > 300 km/s. This value is consistent with wind speeds observed in powerful local starbursts (typically 10^2 to 10^3 km/s), and compares favorably to simulations of the late-stage evolution of Ly-alpha emission in star-forming systems. We discuss the implications of this high-redshift galactic wind for the early history of the evolution of galaxies and the intergalactic medium, and for the origin of the UV background at z > 3.

研究动机与目标

• 利用高分辨率光谱学研究高红移星形成星系中星系外流的存在。
• 确定高红移星系 ES1（z = 5.190）中莱曼-α发射线的运动学特性。
• 评估强外流对电离辐射逃逸以及星系早期演化和星际介质影响的含义。
• 约束具有观测到的外流动力学的高红移系统中莱曼连续谱光子的逃逸分数。

提出的方法

• 利用凯克 II 望远镜上的摄谱仪与成像仪（Echelle Spectrograph and Imager）在 2.25 小时曝光时间内获取了高分辨率光学光谱。
• 光谱狭缝（1″ × 20″）捕捉到了位于哈勃北深空场侧翼区域的暗淡、紧凑星系 ES1 的莱曼-α发射线。
• 采用膨胀壳层辐射转移框架对莱曼-α线轮廓进行建模，以推断外流速度和运动学特性。
• 观测到的线轮廓不对称性——陡峭的蓝端边缘与展宽的红端翼——被解释为在膨胀且光学厚介质中辐射转移的证据。
• 通过比较 900 Å 和 1500 Å 处的通量比，并使用先前研究中的经验校正因子，估算电离光子的逃逸分数。
• 分析中考虑了星际介质（IGM）的不透明度，并利用高红移星系的合成光谱以提高通量比估算的信噪比。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移星系 ES1（z = 5.190）的莱曼-α发射线轮廓是否表现出与膨胀、外流介质一致的特征？
• RQ2 基于线轮廓不对称性，ES1 中星际气体的推断外流速度是多少？
• RQ3 ES1 中红移 ≈ 5.2 处的星系风如何与电离辐射逃逸及 z > 3 时紫外背景的起源相关？
• RQ4 观测到的莱曼-α线轮廓在多大程度上支持星暴驱动外流晚期莱曼-α发射的理论模型？

主要发现

• ES1 中的莱曼-α发射线表现出陡峭的蓝端截止和展宽的红端翼，这是在膨胀且光学厚介质中发生辐射转移的典型特征。
• 该线轮廓与外流速度超过 300 km s⁻¹ 的星系风一致，与本地星暴星系的观测结果及理论模型相符。
• 莱曼-α线光度为 9.0 × 10⁴² erg s⁻¹，通量为 3.0 × 10⁻¹⁷ erg cm⁻² s⁻¹，表明这是一个强星形成系统。
• 估算的电离光子逃逸分数（f_esc）在 1σ 水平下大于 0.1 ± 0.3，由于未校正 IGM 不透明度，此为下限值。
• 通量比 f_ν(1100 Å)/f_ν(900 Å) = 16.7 ± 51.9，经经验校正后转化为 f_ν(1500 Å)/f_ν(900 Å) = 31.4 ± 98.2，支持存在低但非零的逃逸分数。
• 该检测证实，早在大爆炸后 1.10 Gyr，高红移星系中已存在强大的外流，支持由反馈驱动的星系演化模型。