[论文解读] Constraining the properties of Population III galaxies with multi-wavelength observations

Simon Pochinda, Thomas Gessey-Jones+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2023

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 1

一句话总结

本研究结合HERA和SARAS 3的21厘米数据，以及宇宙X射线背景和射电背景的上限，约束了宇宙黎明时期第一代和第二代恒星的性质。结果表明，第一代恒星形成效率的68%置信上限为5.7%，并揭示了每单位恒星形成率的X射线光度在≈10⁴¹.⁴⁸ erg s⁻¹ M⊙⁻¹ yr处达到峰值，表明早期星系的X射线效率可能比现今的星暴星系高0.3至318倍。

ABSTRACT

ABSTRACT The early Universe, spanning 400 000 to 400 million years after the big bang (z ≈ 1100–11), has been left largely unexplored as the light from luminous objects is too faint to be observed directly. While new experiments are pushing the redshift limit of direct observations, measurements in the low-frequency radio band promise to probe early star and black hole formation via observations of the hydrogen 21-cm line. In this work, we explore synergies between 21-cm data from the HERA and SARAS 3 experiments and observations of the unresolved radio and X-ray backgrounds using multiwavelength Bayesian analysis. We use the combined data set to constrain properties of Population II and Population III stars as well as early X-ray and radio sources. The joint fit reveals a 68 percentile disfavouring of Population III star formation efficiencies $\gtrsim 5.7~{{\ m per\ cent}}$. We also show how the 21-cm and the X-ray background data synergistically constrain opposite ends of the X-ray efficiency prior distribution to produce a peak in the 1D posterior of the X-ray luminosity per star formation rate. We find (at 68 per cent confidence) that early galaxies were likely 0.3–318 times as X-ray efficient as present-day starburst galaxies. We also show that the functional posteriors from our joint fit rule out global 21-cm signals deeper than ≲−203 mK and power spectrum amplitudes at k = 0.34 h Mpc−1 greater than $\Delta _{21}^2 \gtrsim 946\ \mathrm{mK}^2$ with 3σ confidence.

研究动机与目标

• 利用多波段数据约束早期宇宙中第一代和第二代恒星的恒星形成效率与光度特性。
• 填补宇宙黎明与再电离时期观测上的空白，因为直接探测第一代发光天体仍具挑战性。
• 通过协同结合21厘米观测与弥散背景测量，改进对天体物理参数的约束。
• 检验理论21厘米信号模型与当前及未来X射线和射电背景观测限制的一致性。
• 确定全局21厘米信号与功率谱的功能后验分布，以高置信度排除极端信号幅度。

提出的方法

• 采用多波段贝叶斯推断框架，结合HERA和SARAS 3的21厘米全局信号与功率谱数据。
• 将宇宙X射线背景（XRB）和未解析射电背景（RBB）的上限纳入似然函数，以约束X射线与射电效率。
• 使用嵌套采样计算恒星形成效率、每单位恒星形成率的X射线光度以及每单位恒星形成率的射电光度的联合后验分布。
• 将21厘米全局信号与功率谱的功能性先验映射为功能性后验，实现对信号幅度的无模型约束。
• 通过21厘米与XRB数据互补的灵敏度，约束每单位恒星形成率的X射线光度的1D边际后验分布。
• 对全局与功率谱领域应用3σ置信阈值，以排除极端信号幅度的参数空间区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 当结合21厘米数据与X射线和射电背景测量时，第一代恒星形成效率的约束是什么？
• RQ2 21厘米观测与弥散背景数据如何协同约束早期星系每单位恒星形成率的X射线光度？
• RQ3 基于联合数据，高红移星系每单位恒星形成率的射电光度上限是多少？
• RQ4 在高置信水平下，联合数据排除了哪些理论21厘米信号幅度？
• RQ5 与单一数据集相比，全局21厘米信号与功率谱的功能后验分布如何压缩先验空间？

主要发现

• 联合数据集在68%置信水平下不支持第一代恒星形成效率超过5.7%，表明存在强烈上限。
• 每单位恒星形成率的X射线光度的1D边际后验分布在≈10⁴¹.⁴⁸ erg s⁻¹ M⊙⁻¹ yr处达到峰值，68%置信区间为10³⁹.⁸⁷至10⁴².⁹⁸ erg s⁻¹ M⊙⁻¹ yr。
• 根据68%可信区间，早期星系的X射线效率可能比现今的星暴星系高0.3至318倍。
• 联合分析得出射电光度每单位恒星形成率的上限为log₁₀(L_radio / M⊙⁻¹ yr) < 23.32（68%置信水平），表明早期星系的射电效率低于本地星系的21倍。
• 全局21厘米信号的功能后验在z ≈ 15.24处以>3σ置信度排除了深度超过≲−203 mK的信号幅度。
• 在k = 0.34 h Mpc⁻¹处，21厘米功率谱的功能后验以>3σ置信度排除了幅度大于Δ²₂₁ ≳ 946 mK²的信号。