[论文解读] Implications of the Lyman alpha Emission Line from a Candidate z=10 Galaxy

Renyue Cen, Zoltán Haiman+1 more|ArXiv.org|Mar 17, 2004

Advanced Measurement and Detection Methods被引用 10

一句话总结

该论文研究了一例候选 z=10 星系的对称Lyman-alpha发射线，提出其不寻常的对称性——与通常因IGM吸收导致的非对称线不同——源于该星系相对于周围气体以≥35 km/s的速度退行。这种速度偏移仅在星系群或星系团环境中才可能成立，使得即使在完全中性的IGM中，该谱线仍能保持对称，暗示该星系可能属于更大系统，而非孤立存在。

ABSTRACT

The recently discovered z=10 galaxy (Pello et al 2004) has a strong Lyman alpha emission line that is consistent with being surprisingly symmetric, even given the relatively poor quality of its spectrum. The blue wing of a Lyman alpha line originating at high redshift should be strongly suppressed by resonant hydrogen absorption along the line of sight, an expectation borne out by the observed asymmetric shapes of the existing sample of Lyman alpha emitting sources at lower redshifts (3< z < 6.7). Absorption on the blue side of the line of the Pello et al. source could be reduced if the intergalactic medium (IGM) in the vicinity of the galaxy is highly ionized, but we show that this requires an unrealistically high ionizing emissivity. We suggest instead that the Lyman alpha emitting gas be receding relative to the surrounding gas with a velocity of >= 35km/s, a large velocity that is plausible only if the galaxy is part of a larger system (group of galaxies) with a velocity dispersion >= 35km/s. We find that with this velocity shift, the observed strength and shape of the line is still consistent with the galaxy being surrounded by its own Stromgren sphere embedded in a fully neutral IGM. More generally, we predict that at any given redshift, the bright Lyman alpha emitters with broader lines would exhibit stronger asymmetry than fainter ones. Bright galaxies with symmetric Lyman alpha lines may be signposts for groups and clusters of galaxies, within which they can acquire random velocities comparable to or larger than their linewidths.

研究动机与目标

• 理解候选z=10星系中对称Lyα发射线的起源，该现象与预期的IGM吸收引起的显著蓝翼抑制相矛盾。
• 评估观测到的谱线对称性是否可与高红移处完全中性的星际介质（IGM）相容。
• 确定谱线轮廓是否暗示发射气体与周围IGM之间存在高速偏移，以及这对星系环境意味着什么。
• 评估观测到的谱线特性是否对z=10时IGM的中性分数构成约束。
• 探讨通过Lyα谱线对称性探测高红移星系及识别星系群/星系团环境的启示。

提出的方法

• 作者通过定义通量比 R = L_b / L_r 来量化谱线对称性，其中 L_b 和 L_r 分别为Lyα线蓝翼和红翼的通量。
• 他们利用误差传播方法，从观测光谱中估计 R 的不确定性，考虑单个像元中的噪声。
• 他们通过辐射转移模型模拟中性IGM中的Lyα谱线轮廓，纳入共振散射和阻尼翼的影响。
• 他们对发射气体与周围IGM之间不同相对速度下的谱线轮廓进行模拟，测试速度偏移如何影响对称性。
• 他们将模型预测与Pello等人（2004年）的观测光谱进行比较，同时考虑消光和光谱分辨率的影响。
• 他们估算支持观测到的速度偏移所需的电离发射度和晕质量，将其与星系群尺度结构联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何观测到的z=10星系Lyα发射线呈现对称性，与预期的IGM吸收导致的蓝翼抑制相反？
• RQ2 为重现观测到的谱线对称性，发射气体与周围IGM之间需要多大的速度偏移？
• RQ3 该观测谱线轮廓能否与星系嵌入z=10时完全中性IGM的情况相容？
• RQ4 需要何种环境条件（如星系群或星系团成员身份）才能产生此类速度偏移？
• RQ5 这对通过对称Lyα线识别高红移星系群具有何种统计学意义？

主要发现

• 观测到的Lyα谱线对称性要求发射气体相对于周围IGM以至少35 km/s的速度退行。
• ≥35 km/s的速度偏移可解释即使在完全中性IGM中仍保持对称的谱线轮廓，此时谱线通量被衰减约30倍。
• 所需的速度偏移最可能由星系处于具有速度 dispersion ≥35 km/s 的更大系统中来解释。
• 该模型与z=10时完全中性IGM相容，尽管由于不确定性，数据未能对中性分数提供强约束。
• 具有对称谱线的明亮Lyα发射体可能是星系群或星系团的指示信号，因为在这些环境中此类速度偏移较为常见。
• 在调查体积中，此类晕质量约为2×10^10 M☉的星系群数量预期约为1个，支持该情景的合理性。