[论文解读] Hydrogen reionisation ends by $z=5.3$: Lyman-$\alpha$ optical depth measured by the XQR-30 sample

Sarah E. I. Bosman, Frederick B. Davies+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2021

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 6被引用 7

一句话总结

本研究利用XQR-30样本的高信噪比VLT/X-Shooter光谱测量z > 5.5处的莱曼-α光学深度，发现均匀紫外背景（UVB）模型无法再现z ≥ 5.4处观测到的透射率散射。结果表明氢再电离在z = 5.3前结束，电离、中性分数或温度的IGM非均匀性持续存在，支持再电离以晚期、不均匀的方式结束。

ABSTRACT

The presence of excess scatter in the Ly-$\alpha$ forest at $z\sim 5.5$, together with the existence of sporadic extended opaque Gunn-Peterson troughs, has started to provide robust evidence for a late end of hydrogen reionisation. However, low data quality and systematic uncertainties complicate the use of Ly-$\alpha$ transmission as a precision probe of reionisation's end stages. In this paper, we assemble a sample of 67 quasar sightlines at $z>5.5$ with high signal-to-noise ratios of $>10$ per $\leq 15$ km s$^{-1}$ spectral pixel, relying largely on the new XQR-30 quasar sample. XQR-30 is a large program on VLT/X-Shooter which obtained deep (SNR $>20$ per pixel) spectra of 30 quasars at $z>5.7$. We carefully account for systematics in continuum reconstruction, instrumentation, and contamination by damped Ly-$\alpha$ systems. We present improved measurements of the mean Ly-$\alpha$ transmission over $4.9<z<6.1$. Using all known systematics in a forward modelling analysis, we find excellent agreement between the observed Ly-$\alpha$ transmission distributions and the homogeneous-UVB simulations Sherwood and Nyx up to $z\leq5.2$ ($<1 \sigma$), and mild tension ($\sim 2.5 \sigma$) at $z=5.3$. Homogeneous UVB models are ruled out by excess Ly-$\alpha$ transmission scatter at $z\geq5.4$ with high confidence ($>3.5 \sigma$). Our results indicate that reionisation-related fluctuations, whether in the UVB, residual neutral hydrogen fraction, and/or IGM temperature, persist in the intergalactic medium until at least $z=5.3$ ($t=1.1$ Gyr after the Big Bang). This is further evidence for a late end to reionisation.

研究动机与目标

• 利用高信噪比类星体光谱精确测量z > 5.5处的莱曼-α光学深度。
• 检验均匀UVB模型（Sherwood, Nyx）是否能再现高红移处观测到的莱曼-α透射率。
• 评估连续谱重建、仪器响应及吸收线深度较大的莱曼-α系统（DLA）在塑造透射率测量中的系统性影响。
• 通过分析散射和透射率分布，确定氢再电离结束的红移。

提出的方法

• 构建了67条z > 5.5的高信噪比类星体视线样本，主要来自XQR-30调查（每≤15 km s⁻¹像素信噪比 > 10）。
• 利用30个z > 5.7类星体的深度X-Shooter光谱（每像素信噪比 > 20）提高信噪比并减少噪声引起的散射。
• 使用均匀UVB模拟（Sherwood, Nyx）对莱曼-α透射率进行正向建模，整合已知的连续谱重建、仪器响应及DLA污染中的所有系统性因素。
• 通过统计显著性（σ水平）量化观测透射率分布与模型预测之间的张力，重点关注z ≈ 5.3–5.8处的散射和平均透射率。
• 通过在固定红移处比较多条视线，考虑宇宙方差和视线差异。
• 应用严格的误差传播和系统性校正，确保光学深度测量的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于莱曼-α透射率和散射，氢再电离在哪个红移结束？
• RQ2 均匀UVB模型能否准确再现z ≈ 5.3–5.8处观测到的莱曼-α透射率？
• RQ3 z ≥ 5.4处过量莱曼-α透射率散射的显著性如何？其对IGM非均匀性的含义是什么？
• RQ4 连续谱拟合、DLA污染和仪器响应中的系统性因素如何影响高红移莱曼-α测量？
• RQ5 z > 5.5处观测到的透射率分布能否由晚期、不均匀的再电离情景解释？

主要发现

• 在z ≤ 5.2处，平均莱曼-α光学深度与均匀UVB模型（Sherwood, Nyx）一致，显著性水平低于1σ。
• 在z = 5.3处，观测与均匀UVB模型之间存在轻微张力（约2.5σ）。
• 在>3.5σ显著性水平下，均匀UVB模型无法解释z ≥ 5.4处的过量莱曼-α透射率散射。
• 电离、中性氢分数或温度的UV背景波动等IGM非均匀条件的持续存在，表明再电离在z = 5.3前结束。
• 结果支持氢再电离以晚期、不均匀的方式结束，残余中性区域至少持续到z = 5.3（大爆炸后约11亿年）。
• XQR-30样本提供了迄今为止最精确的高红移莱曼-α透射率测量，使再电离结束阶段的约束更加可靠。