[论文解读] Highly ionized absorbers at high redshift

J. Bergeron, S. Herbert-Fort|ArXiv.org|Jun 28, 2005

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究利用10个类星体的高分辨率VLT-UVES数据，分析红移2.0 ≤ z ≤ 2.6范围内的O VI吸收体，发现金属丰度分布呈双峰特征，包含金属贫乏与金属富集两族。通过光致电离模型分析，发现金属富集吸收体与恒星形成区附近的星系风有关，显著贡献于宇宙O VI密度，但并未完全解决高红移时的“缺失金属”问题。

ABSTRACT

We investigate the existence of a metal-rich OVI population in 10 high spectral resolution quasar spectra and define observational criteria for this class of absorbers. The low temperatures of nearly half of all OVI absorbers (redshifts 2.0 to 2.6), implied by their line widths, are too low for collisional ionization to be a dominant process. We estimate the oxygen abundance under the assumption of photoionization; a striking result is the bimodal distribution of [O/H] with median values close to 0.01 (0.5) solar for the metal-poor (metal-rich) populations. We present the first estimate of the OVI column density distribution and fit a single power-law index of ~-1.7 and a normalization of f(N)= 2.3e(-13) at log N(OVI) ~ 13.5, both with a ~30% uncertainty. The value of the index is similar to that found for CIV surveys, whereas the normalization factor is about ten times higher. We use f(N) to derive dn/dz and the cosmic density, Omega_b(OVI), selecting a limited column density range not strongly affected by incompleteness or sample variance. We find some decline of dn/dz with z. The cosmic OVI density derived from f(N), Omega_b(OVI) ~ 3.5e(-7), is 2.3 times higher than the value estimated using the observed OVI sample (of which the metal-rich population contributes ~35%), easing the problem of missing metals at high z (~1/4 of the produced metals) but not solving it. We find that the majority of the metal-rich absorbers are located within ~450 km/s of strong Ly-a lines and show that, contrary to the metal-poor absorbers, this population cannot be in hydrostatic equilibrium. All of the OVI absorber properties imply that there are two distinct populations: metal-poor absorbers tracing the intergalactic medium and metal-rich absorbers associated with active sites of star formation.

研究动机与目标

• 利用高分辨率光谱学识别并表征红移z ≈ 2.0–2.6范围内的O VI吸收系统。
• 研究金属富集O VI群体的存在性，并通过电离模型确定其起源。
• 估算宇宙O VI密度，评估其对高红移重子预算与金属富集的贡献。
• 检验金属富集O VI吸收体是否处于流体静力平衡状态，或受外流驱动。
• 推导O VI柱密度分布函数，并评估高红移巡天中的不完全性与样本方差。

提出的方法

• 从10个类星体在红移范围2.0 ≤ z ≤ 2.6内的高分辨率VLT-UVES数据中构建了18个O VI吸收系统样本。
• 应用光致电离模型，在假设电离平衡与硬紫外背景的条件下估算氧丰度[O/H]。
• 利用谱线宽度（b参数）推断气体温度，排除低b值吸收体中碰撞电离占主导的可能性。
• 将O VI柱密度分布拟合为幂律形式：f(N) ∝ N^−α，其中α ≈ 1.7，且在log N(O VI) ≈ 13.5处归一化为f(N) = 2.3×10⁻¹³。
• 基于观测样本与拟合的f(N)分布计算宇宙O VI密度Ω_b(O VI)，并应用离子分数修正（O VI/O = 0.15）。
• 将z ≈ 2.3处的数密度dn/dz与低红移巡天进行比较，以评估演化趋势，采用保守的N(O VI)最小值为10¹³.⁶ cm⁻²。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高红移是否存在金属富集O VI吸收体？其物理特性为何？
• RQ2 O VI柱密度分布是否与单一幂律一致？其归一化值与C IV巡天相比如何？
• RQ3 由于不完全性或样本方差，由f(N)分布推导的宇宙O VI密度是否与基于观测样本的结果有显著差异？
• RQ4 金属富集O VI吸收体是否处于流体静力平衡状态？其运动学与空间特性是否表明存在外流？
• RQ5 金属富集O VI吸收体对宇宙重子与金属密度的贡献如何？这如何影响z ≈ 2.5时的“缺失金属”问题？

主要发现

• 发现[O/H]呈双峰分布，金属贫乏与金属富集群体的中位值分别为~0.01和~0.5太阳单位。
• O VI柱密度分布符合f(N) ∝ N^−α形式，其中α ≈ 1.7，归一化值为f(N) = 2.3×10⁻¹³（log N(O VI) ≈ 13.5），不确定性约30%。
• 由f(N)分布推导的宇宙O VI密度为Ω_b(O VI) ≈ (3.5 ± 3.2/0.9)×10⁻⁷，比基于观测样本的结果高2.3倍。
• 金属富集O VI群体对总Ω_b(O VI)的贡献约为35%，显著减少但未完全消除高红移的“缺失金属”问题。
• 金属富集O VI吸收体主要位于强Ly-α线Δv < 450 km s⁻¹范围内，表明其与恒星形成区存在关联。
• 金属富集吸收体在δ(U)与δ(G)之间缺乏相关性，且其密度峰值分布不重叠，排除了流体静力平衡的可能性，支持其起源于星系风。