[论文解读] JADES: Measuring reionization properties using Lyman-alpha emission

Gareth C. Jones, Andrew J. Bunker+20 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2024

Calibration and Measurement Techniques被引用 4

一句话总结

本文利用JADES巡天中784个高红移星系的大样本，测量了莱曼-α发射特性，并推断宇宙再电离时期间电离间质介质（IGM）中中性氢的分数。研究发现，莱曼-α逃逸分数和等效宽度随红移减小，莱曼-α速度偏移与逃逸分数之间存在负相关性，且在z=7时中性分数被约束为X_HI = 0.81⁻⁰.¹⁰⁺⁰.⁰⁷，表明再电离过程可能较晚结束，或需更新莱曼-α发射模型。

ABSTRACT

Ly$α$ is the transition to the ground state from the first excited state of hydrogen (the most common element). Resonant scattering of this line by neutral hydrogen greatly impedes its emergence from galaxies, so the fraction of galaxies emitting Ly$α$ is a tracer of the neutral fraction of the intergalactic medium (IGM), and thus the history of reionisation. In previous works, we used early JWST/NIRSpec data from the JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) to classify and characterise Ly$α$ emitting galaxies (LAEs). This survey is approaching completion, and the current sample is nearly an order of magnitude larger. From a sample of 795 galaxies in JADES at $4.0

研究动机与目标

• 测量高红移星系中莱曼-α发射特性随时间的演化，以追踪再电离 epoch（EoR）
• 利用詹姆斯·韦布空间望远镜/NIRSpec数据，确定红移z=4–9.5范围内莱曼-α发射星系（X_Lyα）的完整性校正分数
• 基于观测到的莱曼-α特性，推断z≈7时电离间质介质（IGM）对莱曼-α的透射率，并约束中性氢分数（X_HI）
• 评估观测完整性对莱曼-α探测的影响，并校正群体水平研究中的偏差
• 检验观测到的莱曼-α特性是否与再电离的宇宙学模型一致，特别是关于电离过程的时间和拓扑结构

提出的方法

• 利用詹姆斯·韦布空间望远镜/NIRSpec光谱学分析JADES巡天中4.0 < z < 14.3的784个星系，识别莱曼-α发射
• 测量每个源的莱曼-α本征系等效宽度（REW Lyα）及其相对于系统红移的速度偏移
• 采用贝叶斯框架（Mason et al. 2018a）对z=6至14的IGM莱曼-α透射率（T_IGM）进行建模，假设T_IGM(z≈5–6)=1
• 利用模拟光谱和已知的REW Lyα分布（Tang et al. 2024a），推导出莱曼-α探测的完整性校正，作为等效宽度和红移的函数
• 对观测到的莱曼-α分数（X_Lyα）进行完整性校正，以获得各红红移区间内无偏的群体水平估计值
• 将X_Lyα(z=7)与Pentericci et al. (2014)模型结合，约束z=7时的中性氢分数X_HI

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移星系中莱曼-α逃逸分数和等效宽度如何随红移演化？
• RQ2 莱曼-α发射的速度偏移与逃逸分数之间存在何种相关性？这对再电离过程有何启示？
• RQ3 在z=4–9.5范围内，完整性校正后的莱曼-α发射星系分数（X_Lyα）是多少？其演化特征如何？
• RQ4 基于观测到的莱曼-α特性与宇宙学建模，z≈7时推断的中性氢分数（X_HI）是多少？
• RQ5 在z≈8时观测到的X_Lyα是否受到星系团聚或其它系统误差的影响？

主要发现

• 莱曼-α逃逸分数（f_esc^Lyα）和本征系等效宽度（REW Lyα）均随红移增加而减小，尤其在z≈5.5以上更为显著，表明再电离过程正在推进。
• 发现莱曼-α速度偏移与f_esc^Lyα之间存在显著负相关性，与中性IGM中的共振散射一致。
• 莱曼-α在IGM中的透射率在z=5–7之间下降约40%，在z=7–12之间再下降约40%，表明高红移处中性光学厚度增加。
• 在大多数红移和星等区间内，莱曼-α探测的完整性从REW >25 Å时的约50%提高到REW >75 Å时的约70%。
• 完整性校正后的莱曼-α分数X_Lyα从z=4到z=6增加，随后在更高红移处下降，但在z≈8时仍保持非零值。
• 基于观测到的莱曼-α特性与宇宙学建模，z=7时推断的中性氢分数为X_HI = 0.81⁻⁰.¹⁰⁺⁰.⁰⁷，高于大多数先前估计，提示再电离过程可能较晚结束，或需在模型中更新REW Lyα分布。