[论文解读] Possible Contamination of the Intergalactic Medium Damping Wing in ULAS J1342+0928 by Proximate Damped Ly$α$ Absorption

Frederick B. Davies, Eduardo Bañados+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本文研究了在红移 $z=7.54$ 的类星体 ULAS J1342+0928 中，其光学深度翼信号是否可能受到 JWST/NIRSpec 在 $z>7.3$ 处探测到的低电离金属吸收体复合体相关的近场衰减莱曼阿尔法吸收体（DLA）的污染。研究发现，只有极低金属丰度的 DLA（$[\mathrm{O}/\mathrm{H}] \sim -3.5$）才能在不引入显著的星系际介质（IGM）光学深度翼的情况下重现观测到的谱线轮廓，从而对 IGM 再电离信号的解释构成挑战。

ABSTRACT

The red damping wing from neutral hydrogen in the intergalactic medium is a smoking-gun signal of ongoing reionization. One potential contaminant of the intergalactic damping wing signal is dense gas associated with foreground galaxies, which can give rise to proximate damped Ly$α$ absorbers. The Ly$α$ imprint of such absorbers on background quasars is indistinguishable from the intergalactic medium within the uncertainty of the intrinsic quasar continuum, and their abundance at $z\gtrsim7$ is unknown. Here we show that the complex of low-ionization metal absorption systems recently discovered by deep JWST/NIRSpec observations in the foreground of the $z=7.54$ quasar ULAS~J1342$+$0928 can potentially reproduce the quasar's spectral profile close to rest-frame Ly$α$ without invoking a substantial contribution from the intergalactic medium, but only if the absorbing gas is extremely metal-poor ($[{ m O}/{ m H}]\sim-3.5$). Such a low oxygen abundance has never been observed in a damped Ly$α$ absorber at any redshift, but this possibility still complicates the interpretation of the spectrum. Our analysis highlights the need for deep spectroscopy of high-redshift quasars with JWST or ELT to "purify" damping wing quasar samples, an exercise which is impossible for much fainter objects like galaxies.

研究动机与目标

• 评估高红移类星体 ULAS J1342+0928 中观测到的光学深度翼是否可能源自近场衰减莱曼阿尔法吸收体（DLA），而非星系际介质（IGM）。
• 评估 JWST/NIRSpec 在 $z>7.3$ 处探测到的金属吸收体系统对 IGM 光学深度翼信号解释的影响。
• 确定能够重现类星体在静止系莱曼阿尔法附近谱线轮廓而无需引入 IGM 中性氢的 DLA 所需的金属丰度和 H I 原子柱密度。
• 强调高分辨率光谱观测在‘净化’光学深度翼类星体样本中的重要性，以减少再电离研究中的系统不确定性。

提出的方法

• 利用 Christensen 等人（2023）测得的 Mg II $\lambda\lambda 2796,2803$ 和 O I $\lambda 1302$ 线的等效宽度，估算 $z=7.368$、$7.443$ 和 $7.476$ 处三个吸收体的金属柱密度。
• 应用与金属丰度相关的比例关系，将观测到的金属柱密度转换为 H I 柱密度，假设 O/Mg 的丰度比为太阳值。
• 通过将 DLA 模型注入观测光谱，利用吸收体系统后验概率分布的边际化参数，重建类星体的谱线轮廓。
• 采用与 Davies 等人（2018a）相同的框架重新分析 IGM 光学深度翼信号，现包含 DLA 贡献，以评估推断的 IGM 中性氢分数如何变化。
• 模拟未来使用 ELT/MICADO（$R=20,000$）的高分辨率观测，并与现有 JWST/NIRSpec 数据进行比较，以评估对吸收体中运动学结构的可探测性。
• 在饱和度和运动学建模不确定性下评估结果的稳健性，尤其针对饱和谱线。

实验结果

研究问题

• RQ1 ULAS J1342+0928 中观测到的光学深度翼是否可由近场 DLA 解释，而非星系际介质？
• RQ2 何种金属丰度和 H I 柱密度的 DLA 才能重现类星体在莱曼阿尔法附近的谱线轮廓，而无需引入 IGM 中性氢？
• RQ3 具有极端低金属丰度特性的 DLA 如何影响再电离研究中对 IGM 中性氢分数的推断？
• RQ4 未来使用 ELT/MICADO 的高分辨率光谱观测在多大程度上可解析这些高红移吸收体的运动学结构，并将其与 IGM 光学深度翼区分开？
• RQ5 未探测到的极低金属丰度 DLA 对高红移类星体中 IGM 光学深度翼测量的可靠性有何影响？

主要发现

• ULAS J1342+0928 中 $z>7.3$ 处的低电离金属吸收体复合体可重现类星体在静止系莱曼阿尔法附近的谱线轮廓，而无需显著依赖星系际介质的贡献。
• 为匹配观测轮廓，需要一个氧丰度为 $[\mathrm{O}/\mathrm{H}] \sim -3.5$ 的 DLA，其金属丰度远低于迄今在任何红移处观测到的 DLA。
• 如此低的金属丰度 DLA 会使推断的 IGM 中性氢分数降至接近零，从而有效排除 IGM 光学深度翼的显著贡献。
• 严格的金属丰度要求意味着只有极其罕见且极端的 DLA 才能模拟 IGM 信号，但此类情形尚未被观测到，因此仍具不确定性。
• 未来使用 ELT/MICADO 等仪器的高分辨率光谱观测对于解析这些吸收体的运动学结构、并将其与 IGM 光学深度翼区分开至关重要。
• 若缺乏此类高分辨率数据，近场 DLA 的污染风险将在利用类星体光学深度翼进行再电离研究中构成重大系统性不确定性。