[论文解读] Hot Halos around High Redshift Protogalaxies: Observations of O VI and N V Absorption in Damped Lyman Alpha systems

Andrew J. Fox, Patrick Petitjean+2 more|CERN Bulletin|Jan 15, 2007

Scientific Research and Discoveries被引用 52

一句话总结

本研究利用VLT/UVES数据，对红移z = 2.1–3.1的35个氘化莱曼-α（DLA）系统进行了首次系统性搜索，寻找O VI及其他高电离态吸收，检测到12个系统存在O VI吸收。研究识别出一种高温、碰撞电离的等离子体相（通过宽O VI线）和一种温、光致电离的相（通过窄C IV/Si IV线），并发现高电离态物质与超新星驱动的外流存在关联，表明高温晕可能包含超过40%的重子质量以及高红移原星系中显著比例的金属元素。

ABSTRACT

(ABRIDGED) We present a study of the highly ionized gas (plasma) associated with damped Lyman-alpha (DLA) systems at z=2.1-3.1. We search for O VI absorption and corresponding Si IV, C IV, and N V in a Very Large Telescope/Ultraviolet-Visible Echelle Spectrograph (VLT/UVES) sample of 35 DLA systems with data covering O VI at S/N>10. We report twelve DLAs (nine intervening and three at <5000 km/s from the QSO redshift) with detections of O VI absorption. There are no clear O VI non-detections, so the incidence of O VI in DLAs is between 34% (12/35) and 100%. Analysis of the line widths together with photoionization modelling suggests that two phases of DLA plasma exist: a hot, collisionally ionized phase (seen in broad O VI components), and a warm, photoionized phase (seen just in narrow C IV and Si IV components). We find tentative evidence (98% confidence) for correlations between the DLA metallicity (measured in the neutral gas) and high-ion column density, and between the DLA metallicity and high-ion line width, as would be expected if supernova-driven galactic outflows rather than accretion produced the high ions. Using conservative ionization corrections, we find lower limits to the total hydrogen column densities in the hot (O VI-bearing) and warm (C IV-bearing) phases in the range log N(Hot H II) >19.5 to >21.1, and log N(Warm H II) >19.4 to >20.9. On average, the hot and warm phases thus contain >40% and >20% of the baryonic mass of the neutral phase in DLAs, respectively. If the temperature in the O VI phase is ~10^6 K and so f(O VI)=O VI/O<<0.2 the plasma can make a significant contribution to the metal budget at high redshift.

研究动机与目标

• 研究高红移氘化莱曼-α（DLA）系统中高温、高度电离等离子体的存在及其物理性质，这些系统是现代盘星系的关键前身。
• 确定观测到的O VI及其他高电离态吸收（C IV、Si IV、N V）是源于光致电离还是碰撞电离，以区分吸积与反馈的起源。
• 量化高温与温电离相在DLA中总重子质量和金属含量中的贡献，解决z ≈ 2时的金属缺失问题。
• 检验DLA金属丰度与高电离态柱密度或运动学特征之间的关联，作为超新星驱动外流的探测手段。

提出的方法

• 分析35个DLA系统中O VI在1031–1037 Å波段的高信噪比VLT/UVES光谱（S/N > 10），其log N(H I) ≥ 20.3。
• 使用VPFIT和CLOUDY光致电离模型测量离子柱密度并检验电离平衡，采用保守的质量估计方法，即f_OVI < 0.2和f_CIV < 0.3。
• 比较O VI、C IV、Si IV和N V的轮廓，推断共空间分布与相结构，发现非线性N_CIV/N_OVI比值为多相结构的证据。
• 测量高电离态组分与中性气体（H I）之间的速度偏移，以推断流入或流出，速度偏移最大达±400 km s⁻¹。
• 使用Spearman等级相关性进行统计分析，检验DLA金属丰度（[Z/H]_Neut）、O VI柱密度（log N_OVI）与C IV速度宽度（Δv_CIV）之间的关系。
• 利用电离校正和中值金属丰度假设，估算高温（含O VI）和温（含C IV）相中的总氢柱密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移DLA系统中O VI吸收的出现率如何？有多少比例的DLA系统含有可检测到的高温等离子体？
• RQ2 观测到的高电离态（O VI、C IV、Si IV、N V）是源于光致电离还是碰撞电离？这对气体的热力学和动力学状态有何含义？
• RQ3 DLA中高温与温电离相的总重子质量和金属含量是多少？与中性气体相比如何？
• RQ4 DLA金属丰度与高电离态吸收特性之间是否存在物理解释关联？这是否支持高温等离子体的反馈驱动起源？
• RQ5 高电离态与中性气体之间的观测速度偏移是否可由外流或内流解释？其速度范围如何？

主要发现

• 在35个DLA系统中检测到12个存在O VI吸收（34%至100%的出现率），无明显非检测结果，表明高温等离子体在高红移原星系中普遍存在。
• 在有数据的系统中，C IV和Si IV全部被检测到，N V在九个有N V覆盖的系统中检测到三个，与多相等离子体结构一致。
• O VI轮廓较宽，且与窄C IV/Si IV组分不重合，CLOUDY建模排除了单相光致电离模型，表明存在双相模型：高温、碰撞电离相（O VI、N V）和温、光致电离相（C IV、Si IV）。
• 高电离态组分与H I吸收之间存在最大达±400 km s⁻¹的速度偏移，表明存在流入或流出，且C IV吸收体的宽度通常为中性气体的两倍。
• 在98%置信水平下，发现DLA金属丰度（[Z/H]_Neut）与log N_OVI及Δv_CIV之间存在正相关，支持高电离态的超新星驱动外流起源。
• 保守的电离校正得出，log N_HII^Hot > 19.5至>21.1，以及log N_HII^Warm > 19.4至>20.9，表明高温相至少包含中性相中40%的重子质量，温相至少包含20%的重子质量；若f_OVI ≪ 0.2且T ≈ 10⁶ K，则O VI相在z ≈ 2时贡献的金属预算超过1%。