[论文解读] Profiles of Lyman\alpha\ Emission Lines

Takatoshi Yamada, Yuichi Matsuda+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 44被引用 41

一句话总结

本研究对红移 z = 3.1 的 91 个莱曼-α发射体进行了高分辨率光谱观测，发现约 50% 的样本表现出双峰莱曼-α轮廓，且以红峰为主导。峰的不对称性与速度宽度的相关性表明，光子在膨胀的中性氢壳层中发生散射，而非孤立的成分，表明莱曼-α发射受星风和中性气体吸收的调制，与年轻、爆发式恒星形成一致。

ABSTRACT

We present the results of the observations of the Ly\alpha\ line profiles of 91 emission-line galaxies at z=3.1 with the spectral resolution of \lambda/\delta\lambda (FWHM) = 1700, or 180 km/s. A significant fraction, ~50% of the observed objects show the characteristic double peaks in their Ly\alpha profile. The red peak is much stronger than the blue one for most of the cases. The red peaks themselves also show weak but significant asymmetry and their widths are correlated with the velocity separation of the red and the blue peaks, which implies that the peaks are not isolated multiple components with different velocities but the parts of the single line which is modified by the absorption and/or scattering by the associated neutral hydrogen gas. The characteristic profile can be naturally explained by the scattering in the expanding shell of neutral hydrogen surrounding the Ly\alpha\ emitting region while the attenuation by the inter-galactic medium should also be considered. Our results suggest that the star-formation in these Ly\alpha\ emitters are dominated by the young burst-like events which produce the intrinsic Ly\alpha\ emission as well as the gas outflow.

研究动机与目标

• 理解高红移星系中莱曼-α发射的物理起源及其逃逸机制。
• 研究中性氢与气体动力学如何塑造莱曼-α线轮廓。
• 确定观测到的双峰轮廓是否源于膨胀壳层中的散射，或其他机制。
• 考察莱曼-α轮廓形态与星系性质（如光度、大小、等效宽度）之间的关联。
• 检验沿大尺度结构的星际介质吸收是否可解释观测到的轮廓特征。

提出的方法

• 利用昴星团 8.2 米望远镜上的 FOCAS 对 91 个 z = 3.1 的莱曼-α发射体进行光谱观测，波长分辨率 λ/δλ ≈ 1700（FWHM ≈ 180 km s⁻¹）。
• 通过窄带成像（NB497）选择发射体，依据星等阈值设定 BV − NB497 > 0.5 或 >1.0。
• 从 1” 宽的狭缝中提取一维光谱，波长定标精度 <0.2 Å。
• 采用多组分高斯拟合识别线轮廓中的双峰结构与吸收特征。
• 使用柯尔莫哥洛夫-斯米尔诺夫检验比较轮廓形态分布与星系大小、FWHM、等光度面积及等效宽度之间的关系。
• 绘制吸收红移的天空分布，以检验其与大尺度结构的空间相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在约 50% 的 z = 3.1 莱曼-α发射体中观测到的双峰莱曼-α线轮廓是由什么引起的？
• RQ2 双峰是由于不同速度的孤立组分，还是由于在动力学复杂的介质中发生散射？
• RQ3 观测到的红峰不对称性及其宽度相关性是否与膨胀中性氢壳层中的散射一致？
• RQ4 强红峰与弱蓝峰的存在是否与高莱曼-α等效宽度或其他物理性质相关？
• RQ5 沿大尺度丝状结构的星际介质吸收是否可解释观测到的轮廓形态？

主要发现

• 在 z = 3.1 的 91 个莱曼-α发射体中，约 50% 展现出双峰莱曼-α线轮廓，且红峰显著强于蓝峰。
• 红峰表现出微弱但显著的不对称性，其宽度与红、蓝峰之间的速度分离呈正相关。
• 峰间分离与红峰宽度之间的相关性表明，两峰并非独立组分，而是单一散射轮廓的一部分。
• 观测到的轮廓形态最合理的解释是共振散射于膨胀的中性氢壳层中，且受到星际介质的额外消光影响。
• 具有高莱曼-α等效宽度（BV − NB497 > 1.8）的天体最明显表现出特征双峰轮廓，提示其与年轻、爆发式恒星形成及强外流存在关联。
• 未发现吸收红移与天空位置之间存在空间相关性，排除了大尺度星际介质吸收作为轮廓特征主要成因的可能性。