[论文解读] LAGER Ly$\alpha$ Luminosity Function at $z\sim7$, Implications for Reionization

Isak Wold, Sangeeta Malhotra+16 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究基于来自四个 LAGER 野外的 6.1×10$^6$ Mpc$^3$ 巡天体积，提出了 $z\sim7$ 处新的 Ly$\alpha$ 发射线光度函数，发现从 $z=5.7$ 到 $z\sim7$ 的演化程度适中，支持此时宇宙大尺度介质已完全或大部分电离，体积平均中性氢分数 $x_{\text{HI}} < 0.33$（95% 置信水平）。

ABSTRACT

We present a new measurement of the Ly$\alpha$ luminosity function at redshift $z=6.9$, finding moderate evolution from $z=5.7$ that is consistent with a fully or largely ionized $z\sim7$ intergalactic medium. Our result is based on four fields of the LAGER (Lyman Alpha Galaxies in the Epoch of Reionization) project. Our survey volume of $6.1 imes10^{6}$ Mpc$^{3}$ is double that of the next largest $z\sim 7$ survey. We combine two new LAGER fields (WIDE12 and GAMA15A) with two previously reported LAGER fields (COSMOS and CDFS). In the new fields, we identify $N=95$ new $z=6.9$ Ly$\alpha$ emitters (LAEs); characterize our survey's completeness and reliability; and compute Ly$\alpha$ luminosity functions. The best-fit Schechter luminosity function parameters for all four LAGER fields are in good general agreement. Two fields (COSMOS and WIDE12) show evidence for a bright-end excess above the Schechter function fit. We find that the Ly$\alpha$ luminosity density declines at the same rate as the UV continuum LF from $z=5.7$ to $z=6.9$. This is consistent with an intergalactic medium that was fully ionized as early as redshift $z\sim 7$, or with a volume-averaged neutral hydrogen fraction of $x_{HI} < 0.33$ at $1\sigma$.

研究动机与目标

• 通过提升巡天体积和完整性，测量 $z=6.9$ 处的 Ly$\alpha$ 光度函数。
• 评估从 $z=5.7$ 到 $z=6.9$ 的 Ly$\alpha$ 辐射演化，以约束宇宙大尺度介质的电离状态。
• 评估在深度广域巡天中 Ly$\alpha$ 发射体（LAE）检测的可靠性和完整性。
• 确定观测到的光度密度下降是否与 $z\sim7$ 处完全电离的 IGM 一致。

提出的方法

• 整合四个 LAGER 野外的数据：COSMOS、CDFS、WIDE12 和 GAMA15A，以获得总计 6.1×10$^6$ Mpc$^3$ 的巡天体积。
• 利用深度窄波段成像，在两个新野外（WIDE12 和 GAMA15A）中识别出 $N=95$ 个 $z=6.9$ 的 Ly$\alpha$ 发射体（LAE）。
• 通过详细的源检测和光谱红移分析，表征巡天的完整性和可靠性。
• 使用 Schechter 函数拟合观测到的 Ly$\alpha$ 光度函数，以推导最佳拟合参数。
• 将从 $z=5.7$ 到 $z=6.9$ 的 Ly$\alpha$ 光度密度演化与 UV 连续谱光度函数的演化进行比较。
• 利用光度密度演化约束 $z\sim7$ 处的体积平均中性氢分数 $x_{\text{HI}}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $z=6.9$ 处的 Ly$\alpha$ 光度函数是否显示出与 $z=5.7$ 显著不同的演化？这又对宇宙大尺度介质的电离状态意味着什么？
• RQ2 基于观测到的光度密度演化，$z\sim7$ 处的体积平均中性氢分数 $x_{\text{HI}}$ 是多少？
• RQ3 多个独立野外的 Ly$\alpha$ 光度函数参数是否一致？是否存在如蓝端过量等异常现象？
• RQ4 在这些红移下，Ly$\alpha$ 光度密度演化与 UV 连续谱光度密度演化相比如何？
• RQ5 WIDE12 和 GAMA15A 中新发现的 LAE 在多大程度上改善了对高红移 Ly$\alpha$ 发射亮度的约束？

主要发现

• 在 $z=6.9$ 处的 Ly$\alpha$ 光度函数显示出从 $z=5.7$ 开始的中等程度演化，与完全或大部分电离的宇宙大尺度介质一致。
• 四个 LAGER 野外联合拟合的 Schechter 函数参数在整体上具有良好的一致性。
• COSMOS 和 WIDE12 两个野外在 Schechter 拟合的蓝端以上表现出光度函数的过量，提示可能存在星系团或选择效应。
• 从 $z=5.7$ 到 $z=6.9$，Ly$\alpha$ 光度密度的演化速率与 UV 连续谱光度函数的演化速率相同，表明二者具有相似的演化趋势。
• 该光度密度演化表明，$z\sim7$ 处的体积平均中性氢分数 $x_{\text{HI}} < 0.33$（95% 置信水平），支持早期再电离。