[论文解读] Ly$α$ Emission at $z=7-13$: Clear Ly$α$ Equivalent Width Evolution Indicating the Late Cosmic Reionization History

Minami Nakane, Masami Ouchi+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用JWST/NIRSpec光谱学对红移z=6.6–13的53个星系形成星系中的Lyα发射进行分析，发现Lyα等效宽度随红移增加而明显减小。结果表明宇宙再电离历史较晚，中性氢分数x_H I在z∼7时约为0.59，在z∼8时为0.81，在z∼9–13时为0.99，表明再电离源很可能是中等质量的星系晕，而非通常假设的暗淡低质量星系。

ABSTRACT

We present the evolution of Ly$α$ emission derived from 53 galaxies at $z=6.6-13.2$ that are identified by multiple JWST/NIRSpec spectroscopy programs of ERS, GO, DDT, and GTO. These galaxies fall on the star-formation main sequence and are the typical star-forming galaxies with UV magnitudes of $-22.5\leq M_\mathrm{UV}\leq-17.0$. We find that 15 out of 53 galaxies show Ly$α$ emission at the $>3σ$ levels, and obtain Ly$α$ equivalent width (EW) measurements and stringent $3σ$ upper limits for the 15 and 38 galaxies, respectively. Confirming that Ly$α$ velocity offsets and line widths of our galaxies are comparable with those of low-redshift Ly$α$ emitters, we investigate the redshift evolution of the Ly$α$ EW. We find that Ly$α$ EWs statistically decrease towards high redshifts on the Ly$α$ EW vs. $M_{ m UV}$ plane for various probability distributions of the uncertainties. We then evaluate neutral hydrogen fractions $x_{ m HI}$ with the Ly$α$ EW redshift evolution and the cosmic reionization simulation results on the basis of a Bayesian inference framework, and obtain $x_{ m HI}<0.79$, $=0.62^{+0.15}_{-0.36}$, and $0.93^{+0.04}_{-0.07}$ at $z\sim7$, $8$, and $9-13$, respectively. These moderately large $x_{ m HI}$ values are consistent with the Planck CMB optical depth measurement and previous $x_{ m HI}$ constraints from galaxy and QSO Ly$α$ damping wing absorptions, and strongly indicate a late reionization history. Such a late reionization history suggests that major sources of reionization would emerge late and be hosted by moderately massive halos in contrast with the widely-accepted picture of abundant low-mass objects for the sources of reionization.

研究动机与目标

• 利用JWST/NIRSpec数据测量高红移星系形成星系中Lyα等效宽度（EW）的红移演化。
• 从观测到的Lyα EW趋势推断宇宙大尺度介质（IGM）中的中性氢分数（x_H I）。
• 通过与理论模型和CMB约束对比，检验宇宙再电离时间线。
• 通过评估Lyα逃逸对红移和紫外星等的依赖性，判断再电离是偏早还是偏晚。
• 基于Lyα特性与x_H I估计值，确定主导再电离源的宿主星系晕质量尺度。

提出的方法

• 通过多个JWST计划（ERS、ERO、GO、DDT、GTO）获取53个红移z=6.6–13.2星系的光谱红移及Lyα发射特性（EW、多普勒速度偏移、线宽）。
• 对15个检测到Lyα的星系进行光谱拟合，以测量Lyα EW与动力学特性；对38个未检测到的星系推导3σ上限。
• 在红移区间（z∼7、8、9–13）内对Lyα EW与M_UV的关系进行线性拟合，使用多种概率分布函数处理被截断的上限数据。
• 应用贝叶斯推断，将观测到的Lyα EW分布与模拟模型（Dijkstra et al. 2011）对比，估算各红移区间的x_H I值。
• 选取42个M_UV ≤ -18且z ≥ 7的星系，以最小化星等偏差，并确保各红移区间内紫外光度分布可比。
• 通过CMB光学深度（Planck）、类星体/伽马暴衰减翼以及紫外连续谱建模（Umeda et al. 2023）等独立约束对结果进行交叉验证。

Figure 1: Spectra of the public-data sample. Each panel shows the two-dimensional spectrum (top) and the one-dimensional spectrum (bottom). The black solid lines and shaded regions represent the observed spectra and associated $1\sigma$ errors, respectively. The vertical red dashed lines represent t

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移星系形成星系中的Lyα等效宽度是否随红移演化？若演化，这一趋势如何约束IGM中的中性氢分数？
• RQ2 基于观测到的Lyα EW趋势与理论模型，z∼7、8和9–13时推断的中性氢分数x_H I是多少？
• RQ3 推断的x_H I值与来自CMB、类星体衰减翼和Lyα光度函数的独立约束相比如何？
• RQ4 观测到的Lyα EW演化是否支持晚近电离情景？这对主导再电离源的质量尺度意味着什么？
• RQ5 Lyα发射的运动学特性（多普勒速度偏移与线宽）在z∼2–3与z∼7–13之间是否一致，表明辐射转移条件稳定？

主要发现

• Lyα等效宽度（EW）在Lyα EW与M_UV平面中随红移增加而呈现统计显著的减小，表明IGM中性氢分数在演化。
• 中性氢分数估计值为x_H I = 0.59⁺⁰.¹⁵₋₀.³³（z∼7）、0.81⁺⁰.⁰⁹₋₀.²⁶（z∼8）和0.99⁺⁰.⁰¹₋₀.⁰⁵（z∼9–13），显示出强烈的红移演化。
• 这些x_H I值与Planck CMB光学深度测量结果及其他独立约束（类星体衰减翼、Lyα光度函数）一致。
• Lyα EW演化的观测结果在不同处理被截断上限数据的统计方法下均保持稳健，确认该趋势并非数据不确定性所致。
• 从z∼2–3到z∼7–13，Lyα多普勒速度偏移与线宽未发现显著演化，表明尽管IGM中性分数增加，辐射转移条件仍保持稳定。
• 从Lyα EW演化推断出的晚近电离历史表明，主要再电离源位于中等质量星系晕中，而非通常假设的暗淡低质量星系。

Figure 1: Continued.