[论文解读] Low-mass bursty galaxies in JADES efficiently produce ionising photons and could represent the main drivers of reionisation

Charlotte Simmonds, Sandro Tacchella+22 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, PhenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究分析了来自JADES巡天的677个高红移星系，表明低质量、爆发式恒星形成星系能高效产生游离化光子，其游离化光子产生效率（ξ_ion）随红移和紫外星等增加而提高。作者发现，这些星系可能是宇宙再电离的主要驱动力，仅需低至中等的逃逸率（在z≈9时低至~2%），挑战了以往认为需要高逃逸率的假设。

ABSTRACT

We study galaxies in JADES Deep to study the evolution of the ionising photon production efficiency, $ξ_{ m{ion}}$, observed to increase with redshift. We estimate $ξ_{ m{ion}}$ for a sample of 677 galaxies at $z \sim 4 - 9$ using NIRCam photometry. Specifically, combinations of the medium and wide bands F335M-F356W and F410M-F444W to constrain emission lines that trace $ξ_{ m{ion}}$: H$α$ and [OIII]. Additionally, we use the spectral energy distribution fitting code exttt{Prospector} to fit all available photometry and infer galaxy properties. The flux measurements obtained via photometry are consistent with FRESCO and NIRSpec-derived fluxes. Moreover, the emission-line-inferred measurements are in tight agreement with the exttt{Prospector} estimates. We also confirm the observed $ξ_{ m{ion}}$ trend with redshift and M$_{ m{UV}}$, and find: $\log ξ_{ m{ion}} (z, ext{M}_{ m{UV}}) = (0.05 \pm 0.02)z + (0.11 \pm 0.02) ext{M}_{ m{UV}} + (27.33 \pm 0.37)$. We use exttt{Prospector} to investigate correlations of $ξ_{ m{ion}}$ with other galaxy properties. We see a clear correlation between $ξ_{ m{ion}}$ and burstiness in the star formation history of galaxies, given by the ratio of recent to older star formation, where burstiness is more prevalent at lower stellar masses. We also convolve our $ξ_{ m{ion}}$ relations with luminosity functions from the literature, and constant escape fractions of 10 and 20\%, to place constraints on the cosmic ionising photon budget. By combining our results, we find that if our sample is representative of the faint low-mass galaxy population, galaxies with bursty star formation are efficient enough in producing ionising photons and could be responsible for the reionisation of the Universe.

研究动机与目标

• 研究高红移星系的游离化光子产生效率（ξ_ion）及其随红移和紫外星等的演化。
• 确定低质量星系中爆发式恒星形成历史是否增强ξ_ion，并使其成为再电离的强候选者。
• 通过结合ξ_ion关系与光度函数及恒定或星等依赖的逃逸率，约束宇宙游离化光子预算。
• 利用Prospector进行光谱能量分布拟合，验证基于发射线的ξ_ion估计值，并与独立的流量测量结果进行比较。

提出的方法

• 测量中等和宽波段NIRCam的通量（F335M–F356W 和 F410M–F444W），以追踪Hα和[O iii]发射线，这些是ξ_ion的代理指标。
• 使用Prospector SED拟合代码，从样本中所有可用的测光数据中推断星系性质，包括ξ_ion。
• 对log ξ_ion在红移（z）和绝对紫外星等（M_UV）上的二维拟合，得到定量关系：log ξ_ion = (0.05±0.02)z + (0.11±0.02)M_UV + (27.33±0.37)。
• 将基于发射线的ξ_ion估计值与Prospector推断的值进行比较，确认两种方法结果一致。
• 将推导出的ξ_ion关系与文献中的光度函数卷积，并应用恒定（10%、20%）和M_UV依赖的逃逸率，以估算宇宙总游离化光子预算。
• 通过与星系性质的相关性分析，评估ξ_ion的物理解释因素，特别是恒星形成历史（SFRH）中的爆发性。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移星系的游离化光子产生效率（ξ_ion）是否随红移和紫外星等增加而提高？这一趋势是物理性的，而非观测偏差所致？
• RQ2 在高红移星系中，发射线等效宽度（如EW[O iii]）能否可靠地估算ξ_ion？
• RQ3 爆发式恒星形成历史在增强ξ_ion方面起什么作用？它与星系质量和红移有何相关性？
• RQ4 低质量、爆发式星系需要多高的游离化光子逃逸率，才能解释再电离期间的宇宙游离化光子预算？
• RQ5 观测到的ξ_ion演化和星系性质是否足以解释宇宙大尺度介质的再电离，而无需假设极高的逃逸率？

主要发现

• ξ_ion随红移和M_UV的演化是物理驱动的，而非选择或测量偏差的产物。
• ξ_ion的二维拟合得到关系式：log ξ_ion(z, M_UV) = (0.05±0.02)z + (0.11±0.02)M_UV + (27.33±0.37)，表明其对红移和紫外星等均有强依赖性。
• 恒星形成历史中的爆发性（定义为近期与早期恒星形成之比）与ξ_ion的相关性最强，尤其在低质量星系中。
• 当与光度函数及10%和20%的恒定逃逸率结合时，演化后的ξ_ion关系将所需平均逃逸率降低至10%以下，在z≈9时降至~2%。
• 低质量、爆发式星系在产生游离化光子方面足够高效，足以解释宇宙在z≈6前完成再电离所需的游离化光子预算。
• 本研究证实，EW([O iii])是高红移星系中ξ_ion的可靠代理指标，基于发射线的估计值与Prospector SED拟合结果高度一致。