[论文解读] New insight on the nature of cosmic reionizers from the CEERS survey

Sara Mascia, L. Pentericci+30 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的NIRCam和NIRSpec对CEERS巡天中62个高红移星系（6 ≤ z ≤ 9）进行分析，通过间接指标推断莱曼连续电离逃逸分数（$f_{\text{esc}}$）。结果发现平均$f_{\text{esc}}$为0.13，表明在$M_{1500} > -18$条件下，暗淡、低质量星系可能主导了再电离过程，挑战了当前宇宙学模拟低估$f_{\text{esc}}$的结论。

ABSTRACT

The Epoch of Reionization (EoR) began when galaxies grew in abundance and luminosity, so their escaping Lyman continuum (LyC) radiation started ionizing the surrounding neutral intergalactic medium (IGM). Despite significant recent progress, the nature and role of cosmic reionizers are still unclear: in order to define them, it would be necessary to directly measure their LyC escape fraction ($f_{esc}$). However, this is impossible during the EoR due to the opacity of the IGM. Consequently, many efforts at low and intermediate redshift have been made to determine measurable indirect indicators in high-redshift galaxies so that their $f_{esc}$ can be predicted. This work presents the analysis of the indirect indicators of 62 spectroscopically confirmed star-forming galaxies at $6 \leq z \leq 9$ from the Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) survey, combined with 12 sources with public data from other JWST-ERS campaigns. From the NIRCam and NIRSpec observations, we measured their physical and spectroscopic properties. We discovered that on average $6

研究动机与目标

• 在再电离时期（EoR）约束高红移星系的莱曼连续电离逃逸分数（$f_{\text{esc}}$），由于星际介质（IGM）的不透明性，直接探测莱曼连续辐射不可行。
• 利用JWST数据，识别$6 \leq z \leq 9$星系中$f_{\text{esc}}$的间接物理与光谱指标。
• 评估低质量、暗淡星系对再电离期间电离光子预算的贡献，特别是那些低于当前JWST探测灵敏度极限的星系。
• 将推断的$f_{\text{esc}}$值与宇宙学流体动力学模拟的预测进行比较，并评估其中的差异。
• 验证基于低红移星系建立的$f_{\text{esc}}$关系在EoR中的适用性，考虑到物理条件可能存在的演化。

提出的方法

• 利用来自CEERS巡天（6 ≤ z ≤ 9）的光谱确认星系，以及来自其他JWST ERS计划的12个额外源。
• 通过NIRCam成像和NIRSpec光谱测量其紫外波段的物理性质（如有效半径$r_e$、紫外色指数$\beta$、恒星质量$M_\star$、$M_{1500}$星等）。
• 基于低红移莱曼连续辐射发射星系校准的[O iii]发射线强度与H$\beta$等效宽度，利用经验关系推断$f_{\text{esc}}$。
• 从[O iii]光度和$f_{\text{esc}}$计算电离光子产生效率（$\xi_{\text{ion}}$），以估算总电离发射率$\dot{n}_{\text{ion}}$。
• 将推断的$f_{\text{esc}}$值与宇宙学流体动力学模拟的预测进行比较，并评估红移演化趋势。
• 评估$f_{\text{esc}}$对Ly$\alpha$发射、紧凑性（$r_e$）和紫外颜色（$\beta$）的依赖性，以识别稳健的间接指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过间接指标推断，在$6 \leq z \leq 9$的星系中，典型的莱曼连续电离逃逸分数（$f_{\text{esc}}$）是多少？
• RQ2 哪些物理性质（如$r_e$、$\beta$、$M_{1500}$、$M_\star$）与高$f_{\text{esc}}$在高红移星系中相关性最强？
• RQ3 当前宇宙学模拟在多大程度上再现了高红移星系中观测到的$f_{\text{esc}}$值？
• RQ4 在再电离期间，星等暗于$M_{1500} = -18$的星系贡献了多少比例的总电离发射率？
• RQ5 在EoR中，Ly$\alpha$发射的存在是否与$f_{\text{esc}}$相关，还是主要受IGM不透明性影响？

主要发现

• 在$6 \leq z \leq 9$的星系中，推断的莱曼连续逃逸分数平均为$0.13 \pm 0.02$，中位数为$0.08 \pm 0.02$，表明平均逃逸程度适中。
• 仅有20%的星系具有$f_{\text{esc}} > 0.2$，这些极端发射体特征为强烈的[O iii]发射、高H$\beta$等效宽度、小的有效半径或极蓝的紫外色指数。
• 存在$f_{\text{esc}}$随恒星质量减小而略有上升的趋势，但与$M_{1500}$星等无显著依赖关系。
• 推断的$f_{\text{esc}}$从$z=5$到$z=8$仅有小幅上升，由0.11增至0.14，表明在此红移范围内逃逸分数演化微弱。
• 未发现$f_{\text{esc}}$与Ly$\alpha$发射存在明显相关性，可能由于EoR中IGM不透明性效应较强。
• 在$z=8$时，总电离发射率为$\log{\dot{n}_{\text{ion}}} = 50.50 \pm 0.38\ \text{s}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$，接近维持电离平衡所需的阈值，而星等亮于$M_{1500} = -18$的星系贡献不足总发射率的35%。