[论文解读] An OVI Baryon Census of the Low-z Warm-Hot Intergalactic Medium

Charles Danforth, J. Michael Shull|ArXiv.org|Jan 4, 2005

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 90

一句话总结

本研究利用FUSE光谱学检测了40个低红移（z < 0.15）星系际介质系统中的O VI吸收，揭示了O VI柱密度分布呈陡峭幂律（dN_OVI/dN ∝ N_OVI^−2.2±0.1），表明弱吸收体对重子物质的贡献显著。研究发现，温度为10⁵–10⁶ K的暖-热星系际介质（WHIM）气体至少贡献了本地宇宙中总重子质量的4.8%，在考虑金属丰度和电离分数不确定性后，潜在贡献可达10%。

ABSTRACT

Intergalactic absorbers along lines of sight to distant quasars are a powerful diagnostic for the evolution and content of the intergalactic medium (IGM). In this study, we use the FUSE satellite to search 129 known lya absorption systems at z&lt;0.15 toward 31 AGN for corresponding absorption from higher Lyman lines and the important metal ions OVI. We detect OVI in 40 systems over a smaller range of column density than seen in HI. The co-existence of OVI and HI suggests a multiphase IGM, with warm photoionized and hot ionized components. With improved OVI detection statistics, we find a steep distribution in OVI column density, dN(OVI)/dN_OVI N_OVI^(-2.2+-0.1), suggesting that numerous weak OVI absorbers contain baryonic mass comparable to the rare strong absorbers. The total cosmological mass fraction in this hot gas is at least Omega_WHIM=(0.0022+-0.0003. Gas in the WHIM at 10^5-6 K contributes at least 4.8+-0.9% of the total baryonic mass at z&lt;0.15. We then combine empirical scaling relations for the observed "multiphase ratio", N_HI/N_OVI N_HI^(0.9+-0.1), and for hydrogen overdensity in cosmological simulations, N_HI delta_H^{0.7}, with the HI photoionization correction to derive the mean oxygen metallicity, Z_O (0.09 Z_sun)(f_OVI/0.2)^(-1) in the low-z multiphase gas. Given the spread in the empirical relations and in f_OVI, the baryon content in the OVI WHIM could be as large as 10%. Our survey is based on a large improvement in the number of OVI absorbers (40 vs. 10) and total redshift pathlength (dz 2.2 vs. dz 0.5) compared to earlier surveys.

研究动机与目标

• 利用高灵敏度FUSE光谱学测量低红移暖-热星系际介质（WHIM）中O VI的重子含量。
• 改进对O VI吸收体柱密度分布及其对宇宙重子预算贡献的统计约束。
• 通过分析H I与O VI吸收体之间的相关性，研究IGM的多相结构。
• 利用观测到的O VI-H I关系，推导IGM中氧金属丰度和电离分数的经验约束。

提出的方法

• 对31个类星体背景源的129个已知Lyα吸收体系统（z < 0.15）进行FUSE观测，以检测O VI和C III吸收线。
• 测量O VI柱密度，并应用完备性修正，推导微分数密度分布dN_OVI/dN_OVI。
• 使用H I光致电离修正和经验比例关系（N_HI ∝ δ_H^0.7 和 N_HI/N_OVI ∝ N_HI^0.9），推断IGM中平均氧金属丰度。
• 使用公式 Ω_WHIM = 0.0022 ± 0.0003 × [h_70 (Z_O/0.1Z_⊙)(f_OVI/0.2)]⁻¹ 计算宇宙学质量分数。
• 将结果与宇宙学模拟和以往巡天进行比较，评估完备性和统计显著性。
• 对未来的数据应用最大似然技术，以检验金属丰度、红移演化和电离状态的趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 低红移WHIM中O VI吸收体的柱密度分布如何？其与H I分布相比有何差异？
• RQ2 在10⁵–10⁶ K温度下，由O VI追踪的WHIM相中包含了多少本地重子质量？
• RQ3 观测到的O VI-H I柱密度比如何约束IGM的多相结构和金属丰度？
• RQ4 弱O VI吸收体对WHIM中总重子质量的贡献有多大？
• RQ5 观测到的O VI分布对当前WHIM探测巡天的完备性有何影响？

主要发现

• O VI柱密度分布符合陡峭幂律：当log N_OVI ≥ 13.4时，dN_OVI/dN_OVI ∝ N_OVI^−2.2±0.1，表明弱吸收体对重子物质普查有显著贡献。
• 由O VI追踪的WHIM相中总宇宙学质量分数至少为Ω_WHIM = 0.0022 ± 0.0003 × [h_70 (Z_O/0.1Z_⊙)(f_OVI/0.2)]⁻¹，对应于z < 0.15时总重子质量的4.8% ± 0.9%。
• O VI吸收体的数密度为dN_OVI/dz ≈ 17 ± 3（每单位红移），对应等效宽度下至30 mÅ，表明弱吸收体出现频率很高。
• 多相比值N_HI/N_OVI ∝ N_HI^0.9±0.1 表明H I与O VI分别追踪IGM的不同相，支持具有光致电离和热电离成分的核-晕结构。
• 在考虑氧金属丰度和O VI电离分数的不确定性后，O VI WHIM中的重子含量最高可达10%。
• 结果表明，当前的O VI巡天遗漏了大量WHIM重子，尤其是更热、可通过X射线探测的相，因此未来X射线任务对实现完整重子普查至关重要。