[论文解读] Damped Lyman alpha systems and disk galaxies: number density, column density distribution and gas density

S. Boissier, Céline Péroux+1 more|CERN Bulletin|Aug 26, 2002

Scientific Research and Discoveries参考文献 2被引用 40

一句话总结

本文将吸收线深度较大的莱曼-α系统（DLAs）的观测特性与演化盘星系（包括低表面亮度和高表面亮度类型）的模型进行比较，以评估其对DLA群体的贡献。研究发现，虽然现今的盘星系可解释z ≤ 2时的DLAs，但在z > 3时主导的是一类柱密度更低的独立群体，表明早期DLA前身体与现今的盘星系不同。

ABSTRACT

We present a comparison between the observed properties of damped Lyman alpha systems (DLAs) and the predictions of simple models for the evolution of present day disk galaxies, including both low and high surface brightness galaxies. We focus in particular on the number density, column density distribution and gas density of DLAs, which have now been measured in relatively large samples of absorbers. From the comparison we estimate the contribution of present day disk galaxies to the population of DLAs, and how it varies with redshift. Based on the differences between the models and the observations, we also speculate on the nature of the fraction of DLAs which apparently do not arise in disk galaxies.

研究动机与目标

• 评估现今盘星系（包括低表面亮度（LSB）和高表面亮度（HSB）类型）是否能够解释吸收线深度较大的莱曼-α系统（DLAs）的观测特性。
• 将模型预测的DLA数密度、柱密度分布及总中性气体质量密度（Ω_DLA）与宇宙时空中不同红移的观测数据进行比较。
• 鉴于LSB星系具有高气体含量和大尺寸，探讨其在DLA群体中所起的作用。
• 评估当前DLA样本中由尘埃引起的系统偏差是否影响对DLA统计特性的解释。
• 探讨模型与观测在高红移时的差异对早期DLA前身体性质的启示。

提出的方法

• 作者使用盘星系的化学与光谱-光度演化模型（Boissier & Prantzos 2000）模拟H I气体盘的形成与演化，涵盖LSB和HSB星系。
• 从模型中计算单位红移的DLA数密度（dn/dz）、柱密度分布f(N,z)dNdX，以及由DLAs追踪的总中性气体质量密度（Ω_DLA）。
• 模型采用宇宙学参数H₀ = 65 km s⁻¹ Mpc⁻¹、Ω_M = 0.3、Ω_Λ = 0.7进行校准，并包含气体吸积、恒星形成和金属丰度随时间的演化。
• 柱密度分布通过Γ函数拟合观测数据获得，f(N,z)dNdX基于堆叠的类星体光谱和吸收路径长度（X(z) = ∫₀^z c/H₀ (1+z)² E(z) dz）推导。
• 将模型预测与多个巡天（如Péroux et al. 2002、Storrie-Lombardi et al. 1996）在红移z ≈ 0至z ≈ 4.5范围内的观测数据进行比较。
• 利用具有DLA的类星体场的成像数据，将模型的星系形态、光度和撞击参数与实际DLA吸收体宿主进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在z ≤ 2时，现今盘星系（包括LSB和HSB类型）的前身体在多大程度上能再现DLA的观测数密度？
• RQ2 模型预测的柱密度分布和总Ω_DLA与DLA的观测统计特性匹配程度如何？
• RQ3 鉴于LSB星系具有延展的尺寸和高气体分数，其对DLA群体的相对贡献是多少？
• RQ4 尘埃消光是否导致观测到的DLA样本存在偏差，从而造成高柱密度、高金属丰度系统的代表性不足？
• RQ5 为何模型在z > 3时无法再现DLA统计特性？这又对高红移DLA前身体的性质意味着什么？

主要发现

• 在z ≤ 2红移范围内，模型成功再现了DLA的数密度，并解释了约一半的总中性气体质量密度（Ω_DLA），其结果在观测不确定度范围内。
• 由于LSB星系尺寸大且气体含量高，其H I吸收截面更大，因此对DLA群体的贡献显著，与HSB星系相当。
• 观测到的DLA吸收体撞击参数分布比模型预测的更窄且在小距离处更集中，表明DLA宿主星系的实际集中度高于模型预测。
• 模型无法预测在z ≈ 4的深成像巡天中观测到的极暗淡DLA形成星系（低至~1/4 L*），表明存在未被模型涵盖的暗淡星系成分。
• 在z > 3时，观测到的DLA数密度和柱密度分布无法通过外推现今盘星系的性质来解释，表明高红移时存在一个以低柱密度为主、可能为亚星系尺度的前身体主导群体。
• 发现DLA样本中存在尘埃引起的偏差，但其对Ω_DLA的影响微乎其微，与CORALS巡天结果一致，表明尽管存在潜在消光效应，当前DLA统计仍具稳健性。