[论文解读] New Population Synthesis Models of the Cosmic UV Background

Francesco Haardt, Piero Madau|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2011

Atmospheric Ozone and Climate被引用 6

一句话总结

本文利用改进的辐射转移代码（CUBA）提出了宇宙紫外背景的更新型群体合成模型，考虑了弥散的、膨胀的星际介质。该研究提出了一种‘最小宇宙再电离模型’，其电离辐射逃逸率随红移变化（z=3时为1%，z=8.5时为50%），IGM弥散因子C_IGM=3，且恒星族III贡献可忽略，得到的汤姆孙光学厚度τ_e=0.085，与WMAP观测结果一致，并能准确再现由流量衰减数据获得的氢电离速率。

ABSTRACT

We present improved synthesis models of the evolving spectrum of the UV/X-ray diffuse background, updating and extending our previous results. A "minimal cosmic reionization model" is presented in which the galaxy UV emissivity traces recent determinations of the cosmic history of star formation, the luminosity-weighted escape fraction of hydrogen-ionizing radiation increases rapidly with redshift, from 1% at z=3 to 50% at z=8.5, the clumping factor of the intergalactic medium is C=3, and Population III stars make a negligible contribution to the metagalactic flux. The model provides a good fit to the hydrogen-ionization rates inferred from flux decrement measurements, and yields an optical depth to Thomson scattering, tau_e=0.085, that is in agreement with WMAP results.

研究动机与目标

• 开发一个自洽的宇宙紫外/X射线背景谱演化模型，考虑在弥散的、膨胀的星际介质中的辐射转移。
• 调和对IGM电离状态的观测约束，包括来自Lyα森林流量衰减的氢电离速率以及WMAP测量的汤姆孙光学厚度τ_e。
• 确定类星体与星系在宇宙时间尺度上对宇宙电离辐射场的相对贡献。
• 改进Lyα森林、低丰度Lyα、超Lyman限系统在红移范围内的柱密度分布函数f(N_HI,z)的参数化。
• 利用经验星形成历史和经Calzetti消光校正的光度函数，更新类星体与星系的发射率函数。

提出的方法

• 求解宇宙学辐射转移方程（1）中的单色强度J_ν，结合时间演化、红移效应及通过有效光学深度τ̄的吸收。
• 采用分段幂律参数化方式表示吸收体分布f(N_HI,z)，在Lyman限系统范围（10^17.5 < N_HI < 10^19 cm⁻²）内使用红移依赖的斜率，以匹配2 < z < 5范围内的观测数据。
• 通过光度演化模型（公式4）实现类星体的红移依赖发射率，其光谱能量分布（SED）为分段幂律（1300 Å以下ν^−0.44，5000 Å以下ν^−1.57）。
• 从远紫外光度函数（Schechter拟合）推导星系电离辐射发射率，下限为L_min = 0.01 L_*，并使用Calzetti定律进行尘埃校正，且经GALEV群体合成模型验证。
• 在CUBA代码中迭代求解辐射转移方程，背景强度依赖于吸收体的电离状态，而电离状态又依赖于背景通量，同时考虑复合发射率与HeII光学厚度。
• 包含详细的原子复合过程（HI、HeI、HeII）以及发射线（Lyα、双光子、巴尔默线），以模拟IGM中电离光子的再处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在观测到的星形成历史与电离速率前提下，类星体与星系对不同红移处宇宙紫外背景的贡献分别是什么？
• RQ2 电离辐射逃逸率随红移变化（z=3时为1%，z=8.5时为50%）如何影响预测的电离速率与汤姆孙散射光学厚度？
• RQ3 具有真实柱密度分布函数f(N_HI,z)的弥散IGM能否再现由流量衰减测量得到的观测氢电离速率？
• RQ4 完整模型的汤姆孙光学厚度τ_e是多少？是否与WMAP约束（z_reion ≈ 11）一致？
• RQ5 在新模型中，Lyman系列吸收与HI和HeII吸收导致的吸收谷等光谱特征如何随红移演化？

主要发现

• 模型预测的电子散射汤姆孙光学厚度τ_e = 0.085，与WMAP测量值τ_e = 0.089 ± 0.010高度一致。
• 完整模型（类星体+星系）在红移范围2 < z < 6内，对由Lyα森林流量衰减测量推导出的氢电离速率提供了良好拟合。
• 与先前Haardt & Madau（1996）模型相比，新模型在1 Ryd和z=3处的紫外通量降低了最多达3倍，这是由于对吸收与再处理过程的改进处理。
• 模型显示出更明显的锯齿状调制，源于HI与HeII Lyman系列吸收，其深度随红移增加而增强，这是由于IGM中光学厚度增强所致。
• 由于星系发射谱更软且HI吸收固定，完整模型中HeII Lyman系列吸收谷显著深于仅类星体的情况。
• 宇宙HII区预计在z ≈ 7.5时开始重叠，与再电离始于z ≈ 8–10的观测一致。