[论文解读] Constraining the Size of the Circumgalactic Medium Using the Transverse Autocorrelation Function of C IV Absorbers in Paired Quasar Spectra

Abby Mintz, Marc Rafelski+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 70被引用 6

一句话总结

本研究利用红移 z ≈ 2–3 的 61 对类星体的中等分辨率光谱，测量了 C IV 吸收体（λλ1548,1550）的横向自相关函数，从而约束了高红移星系晕中金属富集气体的投影相干长度。研究发现，C IV 富集晕的物理尺度下限约为 200 h⁻¹ 光行距离千秒差距，表明其存在大尺度、相干的结构，这些结构可能由反馈和金属混合过程随时间塑造。

ABSTRACT

The circumgalactic medium (CGM) plays a vital role in the formation and evolution of galaxies, acting as a lifeline between galaxies and the surrounding intergalactic medium (IGM). In this study we leverage a unique sample of quasar pairs to investigate the properties of the CGM with absorption line tomography. We present a new sample of medium resolution Keck/ESI, Magellan/MagE, and VLT/XSHOOTER spectra of 29 quasar pairs at redshift $2 < z < 3$. We supplement the sample with additional spectra of 32 pairs from the literature, creating a catalog of 61 quasar pairs with angular separations between 1.7" and 132.9" and projected physical separations ($r_\perp$) between 14 kpc and 887 kpc. We construct a catalog of 906 metal-line absorption doublets of C IV ($\lambda\lambda 1548, 1550$) with equivalent widths ranging from 6 m{\AA} $\leq W_{r, 1550} \leq 2053$ m{\AA}. The best fit linear model to the log-space equivalent width frequency distribution ($\log f(W_r) = m\log(W_{r}) + b$) of the sample yields coefficients of $m=-1.44\pm0.16$ and $b=-0.43\pm0.16$. To constrain the projected extent of C IV, we calculate the transverse autocorrelation function. The flattening of the autocorrelation function at low $r_\perp$ provides a lower limit for the coherence length of the metal enriched CGM - on the order of 200 $h^{-1}$ comoving kpc. This physical size constraint allows us to refine our understanding of the metals in the CGM, where the extent of C IV in the CGM depends on gas flows, feedback, timescale of metal injection and mixing, and the mass of the host galaxies.

研究动机与目标

• 利用类星体对光谱学测量高红移星系晕（CGM）中金属富集气体的空间范围。
• 研究 C IV 吸收体的相干尺度，这些吸收体追踪了 CGM 中电离的、金属丰富的气体。
• 通过分析 C IV 吸收系统的横向自相关函数，评估 CGM 的物理尺寸。
• 超越视线吸收层析成像，改进对 CGM 结构的约束，从而为星系反馈和金属富集模型提供更好的检验。
• 将新获得的 29 对类星体与文献数据结合，以提高统计功效和红移覆盖范围。

提出的方法

• 获取了 29 对新类星体对在 2 < z < 3 范围内的中等分辨率光谱（Keck/ESI、Magellan/MagE、VLT/XSHOOTER），并补充了 32 对文献中的类星体对。
• 构建了一个包含 906 个 C IV 吸收双线系（λλ1548,1550）的星表，其等效宽度在 6 至 2053 mÅ 之间。
• 应用双线系搜索算法，并结合信噪比和红移一致性检验，以识别真实的 C IV 吸收体。
• 开展蒙特卡洛模拟，以评估双线系搜索在样本中的检测完整性和可靠性。
• 计算横向自相关函数 ξ(r⊥) = (DD/RR) − 1，以量化成对吸收体相对于随机期望的过量聚集。
• 对对数空间等效宽度频率分布 log f(Wr) = m log(Wr) + b 进行拟合，以评估 C IV 吸收体群体的特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移 CGM 中 C IV 吸收气体的特征空间相干长度是多少？
• RQ2 类星体对中 C IV 吸收体的聚集特性如何约束星系周围金属富集气体的物理尺度？
• RQ3 在红移范围 z ≈ 2–3 内，C IV 吸收体群体是否存在红移演化迹象？
• RQ4 新样本与以往文献数据中 C IV 吸收体群体的特性有何异同？
• RQ5 所观测到的自相关特征在多大程度上反映真实物理结构，而非随机涨落？

主要发现

• 本研究识别出 906 个具有 6 至 2053 mÅ 等效宽度的中间 C IV 吸收双线系，中位数为 92 mÅ。
• 对数空间等效宽度频率分布可用线性模型良好拟合，斜率 m = −1.44 ± 0.16，截距 b = −0.43 ± 0.16。
• 横向自相关函数在小投影分离距离（r⊥ < 200 h⁻¹ 光行距离千秒差距）处显示出成对吸收体的显著过量，表明存在聚集。
• 自相关函数在低 r⊥ 处的平坦化特性，为 C IV 富集 CGM 的相干长度提供了稳健的下限，约为 ≈200 h⁻¹ 光行距离千秒差距。
• 结果与 C IV 吸收体描绘 CGM 中大尺度、相干结构的假设一致，这些结构可能由反馈和金属混合过程塑造。
• 本研究展示了类星体对与横向自相关函数作为强大工具的潜力，可超越视线层析成像，探测 CGM 的三维空间结构。