[论文解读] Cosmic Reionization after Planck: The Derived Growth of the Ionizing Background now matches the Growth of the Galaxy UV Luminosity Density

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 14被引用 21

一句话总结

本文利用普朗克卫星的光学深度测量数据以及类星体和高红移星系的观测约束，对 z ≈ 6 以上的宇宙电离背景演化进行了经验重建。结果表明，电离背景的红移演化与星系紫外光度密度的演化高度一致，强烈支持星系作为宇宙再电离的主要驱动力，而类星体/活动星系核则被排除为主要电离源。

ABSTRACT

Thomson optical depth measurements from Planck provide new insights into the reionization of the universe. To obtain new model-independent constraints on the properties of the ionizing sources, we determine the empirical evolution of the ionising background. We use a simple two-parameter model to map out the evolution in this background at z>~6 from the new Planck optical depth tau measurements and from the constraints provided by quasar absorption spectra and the prevalence of Ly-alpha emission in z~7-8 galaxies. We find the redshift evolution in the ionising background N_{ion} required by the observations to be dlog_{10} N_{ion}/dz(z=8)=-0.19_{-0.11}^{+0.09}, largely independent of the assumed clumping factor C_{HII} and entirely independent of the identity of the ionizing sources. The trend in N_{ion} is well-matched by the evolution of the galaxy UV-luminosity density (dlog_{10} rho_{UV}/dz=-0.11+/-0.04) to a magnitude limit >~-13 mag, suggesting that galaxies are the sources that drive the reionization of the universe. The role of galaxies is further strengthened by the conversion from the UV luminosity density to N_{ion}(z) being possible for physically plausible values of the escape fraction f_{esc}, the Lyman-continuum photon production efficiency xi_{ion}, and faint-end cut-off M_{lim} to the LF. Lastly, we use the inferred evolution in the ionizing background to estimate the z~10 UV luminosity density, finding this luminosity density to be 12_{-7}^{+21}x lower than at z~6, consistent with current measurements at z~10. Quasars/AGN appear to match neither the redshift evolution nor normalization of the ionizing background. This new approach of contrasting the inferred evolution of the ionising background with that of the galaxy UV luminosity density adds to the growing observational evidence that galaxies are the sources that drive the reionization of the universe.

研究动机与目标

• 利用普朗克的光学深度测量，推导 z > 6 时宇宙电离背景演化的模型无关约束。
• 检验观测到的电离背景演化是否与星系紫外光度密度的演化相匹配。
• 通过比较其光度与电离输出演化的差异，评估星系与类星体/活动星系核作为再电离主要来源的可行性。
• 基于推断的电离背景演化，估算 z ≈ 10 时的紫外光度密度。
• 评估推断的电离背景与逃逸分数、电离效率及光度函数暗端截断星等等物理参数的一致性。

提出的方法

• 利用普朗克测量的汤姆孙光学深度（τ）约束总电离光学深度，并推断高红移处平均电离背景的演化。
• 应用类星体吸收谱的观测约束以及 z ≈ 7–8 星系中 Lyα 发射的普遍性，以锚定高红移处电离背景的演化。
• 采用双参数模型，独立于电离源身份或团块因子，映射 z > 6 时电离背景 N_ion(z) 的红移演化。
• 将推断的 N_ion(z) 演化与观测到的星系紫外光度密度 ρ_UV(z) 演化进行比较，以检验星系作为主要电离源的一致性。
• 使用合理的逃逸分数 f_esc、电离光子产生效率 ξ_ion 及光度函数的星等截断值 M_lim，将紫外光度密度转换为电离背景。
• 基于推断的电离背景演化，投影 z ≈ 10 时的紫外光度密度，并与当前观测约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 z > 6 时观测到的电离背景红移演化是否与星系紫外光度密度的演化一致？
• RQ2 在 f_esc、ξ_ion 和 M_lim 的合理取值下，推断的电离背景演化能否被星系作为主要电离源一致解释？
• RQ3 类星体或活动星系核是否能同时匹配观测到的电离背景的归一化值与红移演化？
• RQ4 基于推断的电离背景演化，z ≈ 10 时的预测紫外光度密度是多少？
• RQ5 所推导的电离背景演化在多大程度上独立于团块因子 C_HII 或电离源本质的假设？

主要发现

• 电离背景的红移演化被约束为 dlog₁₀N_ion/dz(z=8) = -0.19⁺⁰·⁰⁹₋₀·¹¹，且对团块因子或源身份的依赖性极小。
• 该演化与观测到的星系紫外光度密度演化高度一致，后者为 dlog₁₀ρ_UV/dz = -0.11 ± 0.04（截至 M > -13 等星）。
• 电离背景演化与紫外光度密度演化的高度一致性，强烈支持星系作为宇宙再电离的主要驱动力。
• 在标准 f_esc、ξ_ion 和 M_lim 取值下，从紫外光度密度到电离背景的转换具有物理解释性，进一步强化了星系驱动再电离的场景。
• 推断的 z ≈ 10 时紫外光度密度比 z ≈ 6 时低 12⁻⁷⁺²¹ 倍，与当前观测约束一致。
• 类星体与活动星系核被排除为主要电离源，因其电离输出演化与归一化值均无法匹配观测到的电离背景。