[论文解读] Delayed Enrichment by Unseen Galaxies: Explaining the Rapid Rise in IGM CIV Absorption from z = 6-5

Roban Hultman Kramer, Zoltán Haiman+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 39被引用 3

一句话总结

该论文提出，由于星系外流将碳元素输运至约100 kpc的距离，导致电离光子产生与在IGM中可检测到的C IV吸收之间存在0.4–0.7 Gyr的延迟，这一机制可解释从红移z=6到z=5期间C IV吸收体密度的快速上升，从而解决了两个谜题：再电离所需的电离光子不足，以及C IV增长速度超过恒星形成速率。该延迟使观测结果与标准模型相一致，而无需改变电离效率或金属产量。

ABSTRACT

In the near future, measurements of metal absorption features in the intergalactic medium (IGM) will become an important constraint on models of the formation and evolution of the earliest galaxies, the properties of the first stars, and the reionization and enrichment of the IGM. The first measurement of a metal abundance in the IGM at a redshift approaching the epoch of reionization already offers intriguing hints. Between z=5.8 and 4.7 (a 0.3 Gyr interval only 1 Gyr after the big bang), the measured density of CIV absorbers in the IGM increased by a factor of ~ 3.5 (Ryan-Weber et al. 2009; Becker, Rauch & Sargent 2009). If these values prove to be accurate, they pose two puzzles: (1) The total amount of CIV at z=5.8 implies too little star formation to reionize the IGM by z=6 or to match the WMAP electron scattering optical depth (tau). (2) The rapid growth from z = 6-5 is faster than the buildup of stellar mass or the increase in the star formation rate density over the same interval. We show that a delay of ~ 0.4-0.7 Gyr between the instantaneous production of ionizing photons and the later production of metal absorption features (added to the delay due to stellar lifetimes) can provide the full explanation for both puzzles. We calculate the delay in metal production due to finite stellar lifetimes alone and find that it is too short to explain the rapid CIV density increase. The additional delay could naturally be explained as the result of ~ 200 km/s outflows carrying carbon to distances of ~ 100 kpc, the typical distance between galaxies and CIV absorbers in enrichment simulations, and the typical outflow or absorption region scale observed at z ~ 2-3.

研究动机与目标

• 解决z≈6–5期间观测到的C IV吸收增长与预期恒星形成速率之间的差异。
• 解释为何z=5.8时的总C IV含量表明电离光子产量不足以在z=6之前完成IGM再电离。
• 解释为何C IV吸收体密度的增长速度超过同一红移区间内恒星质量或恒星形成率密度的增长速度。
• 识别一种在早期宇宙中延迟金属丰度增长相对于电离光子产生的物理机制。
• 提供一种可检验的解释，说明利用外流和有限输运 timescale 如何解释IGM金属丰度的快速演化。

提出的方法

• 使用星系光度函数历史模型来追踪随时间的电离光子和金属产生，模拟再电离和金属化过程。
• 计算由于恒星有限寿命导致的延迟，并与观测到的C IV上升 timescale 进行比较。
• 通过约200 km/s的星系外流引入物理延迟机制，将碳元素输运至约100 kpc的距离，与观测到的IGM吸收体尺度相匹配。
• 使用宇宙学模拟和EnrichPy软件包，模拟IGM中金属输运和电离状态的演化。
• 采用两相模型：瞬时电离光子产生，随后通过外流实现延迟的金属丰度增长。
• 将模型与观测到的C IV吸收体密度演化及WMAP光学深度提供的再电离约束进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何IGM中C IV吸收体密度在z=5.8至z=4.7之间上升了约3.5倍，其增长速度超过恒星质量或恒星形成率密度的积累速度？
• RQ2 为何z=5.8时的总C IV含量表明电离光子产量不足以在z=6之前完成IGM再电离，这与WMAP光学深度相矛盾？
• RQ3 何种物理机制可能延迟金属吸收特征（如C IV）的出现，相对于电离光子的产生？
• RQ4 约200 km/s的外流是否足以将碳元素输运至IGM足够远的距离，以解释观测到的C IV增长 timescale？
• RQ5 对C II、Si II、Si III等多电离态的观测如何区分电离驱动演化与外流填充因子驱动的演化？

主要发现

• 为了解释从z=6到z=5期间C IV吸收体密度的快速上升，电离光子产生与可检测到的C IV吸收之间需要存在0.4–0.7 Gyr的延迟。
• 仅由恒星有限寿命导致的延迟时间过短，即使采用陡峭的初始质量函数，也无法解释观测到的C IV演化。
• 星系外流速度约200 km/s可在所需 timescale 内将碳元素输运至80–140 kpc的距离，与星系与C IV吸收体之间的典型间距相匹配。
• 这种由外流驱动的延迟自然地解决了再电离和C IV密度两个谜题，而无需改变电离效率或金属产量。
• 对C II、Si II、Si III和Si IV吸收体的观测可区分电离驱动演化与外流填充因子驱动的演化。
• 未来对多个电离态中金属丰度的测量将揭示IGM金属丰度是否与宇宙恒星形成历史保持一致，或因输运或电离效应而偏离。