[论文解读] Extended Lyman-alpha emission from a high-z DLA at z=3.115

Nobunari Kashikawa, Toru Misawa+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 70被引用 12

一句话总结

本研究利用昴星团望远镜的窄带成像与光谱观测，在红移 z=3.115 处的高红移光深度Lyman-alpha吸收体（DLA）周围探测到扩展的Lyman-alpha发射（L_Lyα = 1.07×10⁴² erg s⁻¹），该DLA位于类星体 28 h₇₀⁻¹ kpc 外。发射具有空间不对称性且红移，被解释为来自具有致密、外流型星系晕介质的DLA宿主星系，提供了恒星形成（SFR ≈ 0.97 M⊙ yr⁻¹）及早期星系中复杂辐射转移的直接证据。

ABSTRACT

We searched for star formation activity associated with high-z Damped Lyman-alpha systems (DLAs) with Subaru telescope. We used a set of narrow-band (NB) filters whose central wavelengths correspond to the redshifted Lyman-alpha emission lines of targeted DLA absorbers at 3

研究动机与目标

• 探测与高红移光深度Lyman-alpha吸收体（DLA）相关的恒星形成活动，DLA是早期宇宙中中性氢的主要储库。
• 通过将窄带滤光片调谐至高红移DLA的红移Lyα发射线，克服探测DLA星系对应体的困难。
• 研究DLA中扩展Lyα发射的物理起源，特别是其空间不对称性与运动学特性，以约束星系形成与反馈过程。
• 通过Lyα光度与辐射转移建模，确定DLA宿主星系的恒星形成率（SFR）与晕质量。
• 通过多波段诊断，探索DLA与其它高红移天体（如Lyman-break星系（LBGs）与Lyα发射体（LAEs））之间的联系。

提出的方法

• 利用昴星团望远镜的FOCAS仪器进行深窄带成像，滤光片中心对准 3 < z < 4.5 范围内目标DLA的红移Lyα发射线。
• 在类星体 SDSS J031036.84+005521.7 的投影分离 3.80 弧秒（≈28 h₇₀⁻¹ kpc）处发现一个NB过量源。
• 进行后续光谱观测以确认Lyα发射的红移与轮廓，其与 z_abs = 3.1150 处的DLA吸收深度一致，log N(H i) = 20.05。
• 利用标准校准计算Lyα光度（L_Lyα = 1.07×10⁴² erg s⁻¹），并推算SFR（≈ 0.97 M⊙ yr⁻¹）。
• 通过建模具有致密、外流型星系晕介质的DLA宿主星系，解释其单侧、扩展的表面亮度分布。
• 利用辐射转移模拟与晕质量标度关系（Faucher-Giguère et al. 2010）估算宿主晕质量（~2.2×10¹⁰ M⊙），与恒星形成导致的Lyα发射一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管表面亮度低且投影距离较远，能否在 z ≈ 3.115 处的高红移DLA中探测到扩展Lyα发射？
• RQ2 本DLA系统中观测到的空间扩展且不对称的Lyα发射轮廓的起源是什么？
• RQ3 DLA宿主星系的恒星形成率（SFR）是多少？其与晕质量及Lyα光度的预期值相比如何？
• RQ4 星系晕介质中H i云团的非对称分布与致密结构如何影响观测到的Lyα形态？
• RQ5 本DLA与其它高红移天体（如Lyman-break星系（LBGs）与Lyα发射体（LAEs））之间存在何种物理联系？

主要发现

• 在类星视线方向 28 h₇₀⁻¹ kpc 的投影距离处探测到扩展Lyα发射，表明DLA宿主星系在空间上已解析。
• Lyα发射线呈不对称且红移，红移为 z_em = 3.115 ± 0.003，与 z_abs = 3.1150 处的DLA吸收完全匹配。
• 测得Lyα光度为 L_Lyα = 1.07×10⁴² erg s⁻¹，对应恒星形成率为 0.97 M⊙ yr⁻¹。
• 观测到的Lyα发射在空间上扩展且朝向类星体单侧延伸，表明通过致密、外流型星系晕介质发生各向异性辐射转移。
• 推断的DLA宿主星系晕质量约为 ~2.2×10¹⁰ M⊙，与恒星形成导致的Lyα发射一致，而非冷却辐射。
• 形态最符合包含星系外流与H i云团致密分布的模型，而非经典双极风或冷却辐射模型。