[论文解读] Dark-ages reionization and galaxy formation simulation -- XXI. Constraining the evolution of the ionizing escape fraction

Simon J. Mutch, Bradley Greig+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究采用Meraxes半解析星系形成模型与贝叶斯框架，联合约束高红移星系中红移与晕质量相关的电离光子逃逸分数。结果表明，低质量晕（$M_\text{halo} \lesssim 10^9\,M_\odot$）的逃逸分数较高，为$18\pm5\%$，而更高质量的晕（$M_\text{halo} \gtrsim 10^9\,M_\odot$）的逃逸分数较低，为$5\pm2\%$，过渡点位于恒星质量$M_\star \sim 10^7\,M_\odot$，且几乎与红移无关。

ABSTRACT

The fraction of ionizing photons that escape their host galaxies to ionize hydrogen in the inter-galactic medium (IGM) is a critical parameter in analyses of the reionization era. In this paper we use the Meraxes semi-analytic galaxy formation model to infer the mean ionizing photon escape fraction and its dependence on galaxy properties through joint modelling of the observed high redshift galaxy population and existing constraints on the reionization history. Using a Bayesian framework, and under the assumption that escape fraction is primarily related to halo mass, we find that the joint constraints of the UV luminosity function, CMB optical depth, and the Ly$α$ forest require an escape fraction of $(18\pm5)\%$ for galaxies within haloes of $M\lesssim10^{9}$M$_\odot$ and $(5\pm2)\%$ for more massive haloes. In terms of galaxy properties, this transition in escape fraction occurs at stellar masses of $M_\star\sim10^7$M$_\odot$, nearly independent of redshift. As a function of redshift, reionization is dominated by the smaller $M_\star\lesssim10^7$M$_\odot$ galaxies with high escape fractions at $z\gtrsim6$ and by the larger $M_\star\gtrsim10^7$M$_\odot$ galaxies with lower escape fractions at $z\lesssim6$. Galaxies with star formation rates of $10^{-2.5}$M$_\odot$yr$^{-1}$ to $10^{-1.5}$M$_\odot$yr$^{-1}$ provide the dominant source of ionizing photons throughout reionization. Our results are consistent with recent direct measurements of a $\sim5\%$ escape fraction from massive galaxies at the end of reionization and support the picture of low mass galaxies being the dominant sources of ionizing photons during reionization.

研究动机与目标

• 约束再电离时期星系电离光子逃逸分数的演化。
• 确定逃逸分数如何依赖于星系性质，如晕质量、恒星质量及恒星形成速率。
• 利用半解析模型，将观测到的高红移星系群体与再电离历史约束相协调。
• 采用贝叶斯框架推断在物理假设下的最可能逃逸分数值及其不确定性。

提出的方法

• 使用Meraxes半解析星系形成模型模拟红移$z \sim 4-8$范围内的星系群体，包含恒星形成、反馈及晕质量增长。
• 模型将星系演化与半数值再电离计算耦合，追踪宇宙大尺度介质（IGM）随时间的电离状态。
• 对逃逸分数采用灵活的、与晕质量相关的参数化形式，自由参数通过贝叶斯框架中的嵌套采样方法约束。
• 模型校准于三项关键观测约束：高红移紫外光度函数、普朗克卫星测得的CMB光学深度，以及Lyα森林透射率。
• 模拟使用Tiamat N体暗物质晕目录，虽空间分辨率有限，但对恒星质量预算影响较小（$z \lesssim 12$时损失不足35%）。
• 采用ultranest采样器进行统计推断，以探索逃逸分数参数的完整后验分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移星系的平均电离光子逃逸分数是多少？其如何随晕质量变化？
• RQ2 逃逸分数从高值向低值过渡的临界恒星质量是多少？该过渡是否具有红移依赖性？
• RQ3 在再电离期间，按质量或恒星形成速率划分，哪类星系群体主导电离光子预算？
• RQ4 紫外光度函数、CMB光学深度与Lyα森林的联合约束，能否准确再现观测到的再电离历史？
• RQ5 推断出的逃逸分数是否与近期对$z \sim 6$处大质量星系的直接测量结果一致？

主要发现

• 对于晕质量$M_\text{halo} \lesssim 10^9\,M_\odot$的星系，逃逸分数被约束为$18\pm5\%$，表明低质量系统中电离辐射逃逸效率较高。
• 对于更高质量的晕（$M_\text{halo} \gtrsim 10^9\,M_\odot$），逃逸分数为$5\pm2\%$，显著低于低质量系统。
• 高、低逃逸分数之间的过渡发生在恒星质量$M_\star \sim 10^7\,M_\odot$，且该过渡点几乎与红移无关。
• 再电离过程主要由低质量星系（$M_\star \lesssim 10^7\,M_\odot$）主导，其在$z \gtrsim 6$时具有高逃逸分数，而更高质量星系在$z \lesssim 6$时占主导地位。
• 恒星形成速率在$10^{-2.5}$至$10^{-1.5}\,M_\odot\,\text{yr}^{-1}$之间的星系在整个再电离期间提供主要的电离光子来源。
• 结果与近期对再电离末期大质量星系中约$5\%$逃逸分数的直接测量一致，支持低质量星系作为主要电离源的角色。