[论文解读] Chasing Lyman alpha-emitting galaxies at z = 8.8

Peter Laursen, Jesper Sommer‐Larsen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 157被引用 16

一句话总结

本文通过结合辐射转移模拟与晕质量函数统计，预测了在红移 z=8.8 时莱曼-α发射星系的可探测性。由于IGM和CGM的散射作用，探测概率极低（单个星系探测概率为10%，多个星系为1%），并提出采用更宽松的NB–BB颜色判据 +0.85 AB mag 以改善选星效果，但仅约35%的概率能将被探测到的NB源正确识别为真实的LAE。

ABSTRACT

With a total integration time of 168 hours and a narrowband (NB) filter tuned to Lyman alpha at z = 8.8, the UltraVISTA survey has set out to find some of the most distant galaxies, on the verge of the Epoch of Reionization. Previous calculations of the expected number of detected Lya-emitting galaxies (LAEs) at this redshift did not explicitly take into account the radiative transfer (RT) of Lya. In this work we combine a theoretical model for the halo mass function with numerical results from high-res cosmological hydrosimulations with LyC+Lya RT, assessing the visibility of LAEs residing in these halos. Uncertainties such as cosmic variance and the anisotropic escape of Lya are taken into account, and it is predicted that once the survey has finished, the probabilities of detecting none, one, or more than one are ~90%, ~10%, and ~1%; a significantly smaller success rate compared to earlier predictions, due to the combined effect of a highly neutral IGM scattering Lya to such large distances from the galaxy that they fall outside the observational aperture, and to the actual depth of the survey being less than predicted. Because the IGM affects NB and broadband (BB) magnitudes differently, we argue for a relaxed color selection criterion of NB - BB ~ +0.85. But since the flux is continuum-dominated, even if a galaxy is detectable in the NB its probability of being selected as a NB excess object is

研究动机与目标

• 预测在考虑辐射转移效应的前提下，UltraVISTA巡天中可探测到的红移z=8.8莱曼-α发射星系（LAEs）的数量。
• 量化星际介质（IGM）和星系晕介质（CGM）散射对莱曼-α可见性及观测孔径效率的影响。
• 鉴于窄带（NB）与宽带（BB）滤波器中通量抑制的非对称性，重新评估NB–BB颜色判据以改进LAE选星。
• 开发并发布一种用于组合天体物理测量中非对称不确定性的数值方法。
• 提供z=8.8时关键星体属性的预测，包括光度函数、恒星质量–晕质量关系以及莱曼-α逃逸的各向异性特征。

提出的方法

• 将高分辨率宇宙学流体动力学模拟与电离紫外辐射及莱曼-α辐射的后处理辐射转移相结合。
• 使用理论晕质量函数来模拟在z=8.8时宿主LAE的暗物质晕的预期数密度。
• 应用辐射转移模拟计算莱曼-α逃逸分数及角向各向异性，包括星际介质（ISM）和IGM中的散射。
• 模拟IGM阻尼翼和莱曼-α断点位置的影响，以预测窄带（NB）与宽带（BB）星等中的差异性抑制。
• 提出并验证一种使用蒙特卡洛采样添加非对称不确定性（x_{-σ_-}^{+σ_+}）的新算法，优于标准的平方和方法。
• 在真实巡天条件下模拟观测星等与颜色，包括滤波器响应、曝光时间与宇宙方差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑真实辐射转移与晕统计的前提下，UltraVISTA巡天中可探测到的红移z=8.8莱曼-α发射星系的预期数量是多少？
• RQ2 IGM与CGM散射如何影响莱曼-α发射的可探测性？有多少比例的通量逃逸进入标准孔径？
• RQ3 在NB与BB滤波器中存在差异性抑制的前提下，识别z=8.8处LAE的最佳NB–BB颜色选择标准是什么？
• RQ4 通过窄带过量识别出的源中，真实LAE的探测概率是多少？该概率如何随通量与孔径大小变化？
• RQ5 观测数据中非对称不确定性如何影响组合测量的可靠性？是否存在更优的传播方法？

主要发现

• 由于IGM和CGM的强烈散射，UltraVISTA巡天中探测到一个或多个z=8.8莱曼-α星系的概率分别仅为约10%和1%。
• 约25%的莱曼-α通量因IGM吸收而被抑制至连续谱水平，且高达一半的总通量可能因CGM散射而落入标准孔径之外。
• 1.4角秒的孔径可使UltraVISTA的探测概率最大化，因为更大的孔径虽能减少噪声但无法补偿通量损失。
• IGM对NB星等的抑制程度小于对BB星等的抑制，因此严格的NB–BB ≤ 0 星等差判据无效；建议采用更宽松的判据NB–BB ≈ +0.85 AB mag。
• 即使星系在NB波段被探测到，其通过过量识别为LAE的正确概率也≤35%，原因在于污染与通量抑制。
• 使用Planck宇宙学参数代替WMAP7参数，可探测数从~0.12提升至~0.61；若移除IGM蓝翼效应，探测数可达~1，表明IGM效应主导了通量抑制。