[论文解读] Hubble captures multiply-imaged ionizing radiation from strongly lensed galaxy at z=2.4

T. Emil Rivera-Thorsen, Håkon Dahle+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2019

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 5被引用 4

一句话总结

利用引力透镜放大效应，哈勃望远镜捕捉到了迄今为止最清晰的图像，显示红移z=2.4的强引力透镜星系中电离辐射逃逸的情况，揭示了在光学厚气体中通过狭窄通道逃逸的紧凑恒星区域的多个像。这为再电离时期电离光子逃逸提供了前所未有的洞察，实现了对小尺度上星系间中性氢吸收的探测。

ABSTRACT

The early Universe was ionized by hard ultraviolet radiation from hot, young stars in the first galaxies. These galaxies contain absorbing neutral Hydrogen which must be configured favorably to allow ionizing escape; only a few dozen cases have been detected at any redshift. Here we present Hubble observations of the brightest known lensed galaxy, the Sunburst Arc, revealing bright, multiply-imaged escape from a compact stellar region through a narrow channel in an optically thick gas. Gravitational lensing magnification has allowed the clearest view yet of how ionizing photons escape galaxies, providing a unique window to the last major phase transition of the Universe, the epoch of re-ionization. The multiple sight lines to the source probe absorption by intergalactic neutral Hydrogen on unprecedentedly small scales.

研究动机与目标

• 研究高红移星系在再电离时期电离辐射的逃逸机制。
• 理解气体几何结构和吸收在电离光子逃逸中的作用。
• 利用强引力透镜效应，实现比未透镜观测更高的空间分辨率和灵敏度。
• 利用多条视线探测小空间尺度上的星系间中性氢吸收。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜观测，对红移z=2.4的强引力透镜星系Sunburst Arc进行高分辨率成像。
• 利用引力透镜放大效应提升灵敏度和空间分辨率，从而探测到微弱的、多重像的电离辐射。
• 分析源的多条视线，探测星系间中性氢在亚千秒差距尺度上的吸收。
• 识别出光学厚气体中允许电离光子逃逸的狭窄通道。
• 将观测到的多重像与模型对比，以推断气体几何结构和辐射逃逸路径。
• 利用透镜放大效应，实现了迄今为止最清晰的电离光子逃逸图像。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管周围存在光学厚气体，电离光子如何从高红移星系中逃逸？
• RQ2 气体几何结构和密度结构在光子逃逸中起到什么作用？
• RQ3 引力透镜能否揭示星系间中性氢中的小尺度吸收特征？
• RQ4 有多少比例的电离辐射通过致密气体中的狭窄通道逃逸？
• RQ5 透镜视图如何改善对逃逸光度分数和逃逸机制的约束？

主要发现

• Sunburst Arc是目前已知最明亮的透镜星系，使得在z=2.4红移下对电离辐射逃逸的观测最为清晰。
• 多重像显示电离辐射通过光学厚气体结构中的狭窄通道逃逸。
• 观测到的逃逸与一个紧凑恒星区域通过周围中性氢包层中低密度路径发射电离光子的模型一致。
• 多条视线探测到了前所未有的小空间尺度上的星系间中性氢吸收。
• 透镜放大效应提供了对逃逸机制的独一无二的高分辨率视图，对理解再电离时期至关重要。
• 该系统提供了电离光子即使在高密度中性氢柱密度下仍能逃逸的直接观测证据。