[论文解读] Properties of QSO Metal Line Absorption Systems at High Redshifts: Nature and Evolution of the Absorbers and the Ionizing Radiation Background

A. Boksenberg, W. L. W. Sargent+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2003

Silicon and Solar Cell Technologies参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究利用凯克望远镜HIRES光谱仪对红移 1.6 ≤ z ≤ 4.4 的 188 个系统中的 908 个 C iv 吸收组分进行分析，以研究高红移吸收体的电离状态、金属丰度及其演化。结果表明，C iv 吸收体主要为光致电离，z < 2.65 时类星体主导电离，而 z > 3.4 时星系贡献显著，需借助非标准恒星群体才能解释电离辐射场。

ABSTRACT

In Keck HIRES spectra of 9 QSOs we identify a sample of 908 CIV absorber components in 188 systems outside the Lyman forest in the redshift range 1.6 &lt; z &lt; 4.4, with related lines of SiIV, CII, SiII and NV. The properties of the CIV absorbers are almost constant with z. We find a mild increase in Omega(CIV) with decreasing z with a mean = (3.8+/-0.7)*10^(-8) (spatially flat LCDM cosmology and h = 0.71). Using Omega(b) from the CMB and ionization fractions from our data we obtain [C/H]_(z = 4.0) &gt;/= -3.11(+0.14/-0.19) and [C/H]_(z = 2.1) &gt;/= -2.64(+0.15/-0.22), suggesting a rise by about a factor 3. Relating Omega(H) more directly to regions containing the absorbers our values become &gt;~ -2.2 and &gt;~ -2.0, respectively. CIV components exhibit strong clustering at Delta(v) &lt; 300 km/s but there is no clustering on any scale between systems. We argue that for our sample the CIV clustering is entirely due to the peculiar velocities of gas present in the outer extensions of galaxies. We find no change with z in the median column density ratio SiIV/CIV, contrary to previous observations; other ionic ratios vary continuously with redshift. We show that these are only partial indicators of ionization state and remedy this by use of specific pairs of ratios. We demonstrate that the majority of absorbers are photoionized and find that at z &lt; 2.65 QSOs dominate the ionization whereas at z &gt; 3.4 an additional, dominant contribution from galaxies with specific spectral characteristics and high radiative escape fraction in the range 1-4 Ryd is required. These results also indicate that [Si/C] = 0.0-0.4 fits the data well. We conclude that the heavy element absorbers at z &gt; 3.4 are located close to galaxies and irradiated dominantly by them, consistent with our independent conclusion from clustering properties.

研究动机与目标

• 利用高分辨率光谱学测定高红移 C iv 吸收体的电离状态与金属丰度。
• 评估类星体与星系在 z ≈ 2–4 时对宇宙电离辐射背景的贡献。
• 通过特定比值对（如 Si iv/C iv、Si ii/C ii）作为电离指标，解决离子丰度比值的矛盾。
• 检验标准恒星群体合成模型是否能再现解释观测数据所需的电离谱。
• 研究 C iv 吸收体的团聚性质，并推断其与星系的物理关联。

提出的方法

• 在凯克天文台获取了九个类星体的高分辨率 HIRES 光谱，以探测 C iv、Si iv、C ii、Si ii 和 N v 的吸收组分。
• 使用 Voigt 型轮廓拟合吸收线，测量各组分的柱密度与多普勒参数（b）。
• 计算离子丰度比值（如 Si iv/C iv、Si ii/C ii），并将其用作电离状态的诊断工具，同时对光致电离分数进行校正（基于光致电离模型）。
• 采用 Cloudy 光致电离模型模拟电离结构，并将预测的离子比值与观测结果进行比较。
• 利用类星体与星系的谱谱能量分布，对宇宙间电离背景进行建模，包括不同电离度与光谱形状的本地恒星群体贡献。
• 通过将观测到的离子比值与模型预测相匹配，约束高红移星系在 1–4 Ryd 范围内的辐射逃逸分数与光谱特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z ≈ 2–4 时，C iv 吸收体的主要电离源是什么？其随红移如何演化？
• RQ2 观测到的离子丰度比值是否与标准类星体和恒星光谱的光致电离一致？还是需要非标准电离源？
• RQ3 吸收气体的金属丰度是多少？其随红移如何演化？
• RQ4 C iv 吸收体是否表现出大尺度上的团聚性？这对其与星系的物理关联意味着什么？
• RQ5 标准恒星群体合成模型能否再现解释吸收体电离状态所需的谱能量分布？

主要发现

• 共动 C iv 质量密度为 ⟨Ω_C iv⟩ = (3.8 ± 0.7) × 10⁻⁸，随红移减小而略有增加。
• 碳丰度从 z ≈ 4.0 到 z ≈ 2.1 增加约 3 倍，z ≈ 4.0 时 [C/H] ≥ -3.11⁺⁰.¹⁴₋₀.¹⁹，z ≈ 2.1 时 [C/H] ≥ -2.64⁺⁰.¹⁵₋₀.²²。
• C iv 吸收组分在 Δv ≤ 300 km s⁻¹ 内表现出强烈团聚，与星系外流或延伸晕层一致。
• 系统之间未观测到显著团聚，排除了大尺度结构作为团聚主导起源的可能性。
• Si iv/C iv 比值在 z ≈ 3 附近无突变，与早期结论相矛盾；离子比值随红移连续变化。
• 在 z ≈ 2.65 至 z ≈ 3.4 之间发生电离性质的转变，具有较大离散度，表明电离源发生转变。
• 在 z > 3.4 时，需高辐射逃逸分数（1–4 Ryd 范围）的星系才能解释电离状态，表明年轻、低金属丰度恒星群体起主导作用。
• 观测到的 [Si/C] ≈ 0.0–0.4 可被太阳或略增强 Si/C 丰度的模型良好拟合。
• 标准恒星群体模型无法再现所需的电离谱，表明需采用非标准或演化后的恒星群体。