[论文解读] Chasing the Tail of Cosmic Reionization with Dark Gap Statistics in the Lyα Forest over 5 < z < 6

Yongda Zhu, George D. Becker+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 9被引用 1

一句话总结

本研究利用55个红移5 < z < 6的类星体光谱中Lyα森林内的暗隙——即极端吸收区域——探测宇宙再电离末期的电离介质。研究识别出九个超长暗隙（>80 h⁻¹ Mpc），并发现光谱中超过30 h⁻¹ Mpc的暗隙比例在z ≈ 5.3之前保持较高水平（F₃₀ ≈ 0.15），表明在z = 6以下，中性氢岛或大尺度电离背景涨落仍持续存在，挑战了再电离在z ≈ 6处迅速结束的模型。

ABSTRACT

We present a new investigation of the intergalactic medium (IGM) near the end of reionization using “dark gaps” in the Lyα forest. Using spectra of 55 QSOs at z em &gt; 5.5, including new data from the XQR-30 VLT Large Programme, we identify gaps in the Lyα forest where the transmission averaged over 1 comoving h −1 Mpc bins falls below 5%. Nine ultralong (L &gt; 80 h −1 Mpc) dark gaps are identified at z &lt; 6. In addition, we quantify the fraction of QSO spectra exhibiting gaps longer than 30 h −1 Mpc, F 30, as a function of redshift. We measure F 30 ≃ 0.9, 0.6, and 0.15 at z = 6.0, 5.8, and 5.6, respectively, with the last of these long dark gaps persisting down to z ≃5.3. Comparing our results with predictions from hydrodynamical simulations, we find that the data are consistent with models wherein reionization extends significantly below redshift six. Models wherein the IGM is essentially fully reionized that retain large-scale fluctuations in the ionizing UV background at z ≲6 are also potentially consistent with the data. Overall, our results suggest that signatures of reionization in the form of islands of neutral hydrogen and/or large-scale fluctuations in the ionizing background remain present in the IGM until at least z ≃ 5.3.

研究动机与目标

• 利用Lyα森林中的暗隙研究宇宙再电离末期电离介质（IGM）的状态。
• 量化在5 < z < 6红移范围内，长暗隙（L > 30 h⁻¹ Mpc）随红移的变化频率。
• 检验观测到的暗隙统计特性是否与再电离在z = 6或以下结束的模型一致。
• 评估在z ≲ 6时存在残余中性氢岛或电离紫外背景大尺度涨落的模型的可行性。

提出的方法

• 分析来自XQR-30 VLT大型计划及其他来源的高分辨率类星体光谱，覆盖红移z_em > 5.5的区域。
• 将暗隙定义为Lyα森林中1个共动h⁻¹ Mpc区间内平均透射率低于5%的区域。
• 在不同红移下测量包含超过30 h⁻¹ Mpc长暗隙的类星体光谱比例F₃₀。
• 识别超长暗隙（L > 80 h⁻¹ Mpc）以探测IGM中的大尺度结构。
• 将观测到的暗隙统计特性与再电离的流体动力学模拟预测进行比较。
• 通过评估观测到的F₃₀值是否与模拟的再电离情景相符，来评估模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Lyα森林中的暗隙在多大程度上表明了宇宙再电离末期中性氢的存在？
• RQ2 在5 < z < 6的IGM中，长暗隙（L > 30 h⁻¹ Mpc）的红移演化特性如何？
• RQ3 观测到的暗隙统计特性能否与再电离在z = 6以下结束的模型相容？
• RQ4 在z ≲ 6时，电离紫外背景的大尺度涨落是否仍可在IGM中被探测到？
• RQ5 中性氢岛在IGM中持续到z ≈ 5.3的程度如何？

主要发现

• 在z < 6的Lyα森林中识别出九个超长暗隙（L > 80 h⁻¹ Mpc），表明存在大尺度低透射区域。
• 在z = 6.0时，包含超过30 h⁻¹ Mpc长暗隙的类星体光谱比例F₃₀为0.9，在z = 5.8时为0.6，在z = 5.6时为0.15。
• 长暗隙持续存在于z ≈ 5.3，表明在这些红移下，IGM中仍可探测到中性氢信号。
• 观测到的暗隙统计特性与再电离显著延伸至z = 6以下的模型一致。
• 即使IGM完全再电离，但若在z ≲ 6时存在电离紫外背景的大尺度涨落，此类模型也与数据一致。
• 结果表明，再电离的特征，如中性氢岛或电离背景涨落，至少持续到z ≈ 5.3。