[论文解读] Reionization with star-forming galaxies: insights from the Low-z Lyman Continuum Survey

Maxime Trebitsch, Pratika Dayal+19 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用低红移莱曼连续谱巡天（LzLCS）校准了一个半解析模型（Delphi），该模型将紫外谱指数与低红移星系中的莱曼连续谱逃逸分数（$f_{\rm esc}$）关联起来。将此关系外推至高红移星系后，模型重现了观测到的再电离历史，并发现$-16 \lesssim M_{\rm UV} \lesssim -13.5$的星系主导了再电离过程，其群体平均$f_{\rm esc}$在$z = 4.5, 6, 8$时分别为8%、10%和20%。

ABSTRACT

The fraction of ionizing photons escaping from galaxies, $f_{esc}$, is at the same time a crucial parameter in modelling reionization and a very poorly known quantity, especially at high redshift. Recent observations are starting to constrain the values of $f_{esc}$ in low-z star-forming galaxies, but the validity of this comparison remains to be verified. Applying at high-z the empirical relation between $f_{esc}$ and the UV slope trends derived from the Low-z Lyman Continuum Survey, we use the DELPHI semi-analytical galaxy formation model to estimate the global ionizing emissivity of high-z galaxies, which we use to compute the resulting reionization history. We find that both the global ionizing emissivity and reionization history match the observational constraints. Assuming that the low-z correlations hold during the epoch of reionization, we find that galaxies with $-16 \lesssim M_{UV} \lesssim -13.5$ are the main drivers of reionization. We derive a population-averaged $\langle f_{esc} angle \simeq 8\%, 10\%, 20\%$ at z=4.5, 6, 8.

研究动机与目标

• 评估低红移莱曼连续谱发射星系是否可作为再电离时期高红移源的代理。
• 确定从LzLCS获得的经验$f_{\rm esc}$-$\beta$关系是否可外推至高红移，以模拟全局电离辐射发射率。
• 检验该模型能否重现观测到的再电离历史及宇宙大尺度介质电离分数的约束。
• 基于紫外星等与逃逸分数，识别主导再电离过程的星系群体。

提出的方法

• 使用Delphi半解析星系形成模型模拟高红移星系群体。
• 将从LzLCS获得的$f_{\rm esc}$-$\beta$关系应用于星系，依据其紫外谱指数（$\beta$）分配逃逸分数。
• 通过加权星系的紫外光度与$f_{\rm esc}$，计算全局电离辐射发射率。
• 利用推导出的发射率求解电离方程，计算再电离历史，并与观测约束进行比较。
• 利用光度函数与晕质量函数，按星等与宿主晕质量加权贡献。
• 追踪逃逸分数随红移的演化，考虑再电离过程中低质量晕内星系的光致电离抑制效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低红移莱曼连续谱发射体中测得的$f_{\rm esc}$-$\beta$关系是否可可靠外推至再电离时期的高红移宇宙？
• RQ2 不同星等区间星系对再电离期间全局电离辐射发射率的贡献如何？
• RQ3 在$z \gtrsim 4$时，基于紫外星等的哪类星系群体主导了莱曼连续谱输出？
• RQ4 该模型中群体平均$f_{\rm esc}$如何随红移演化？是否与观测约束一致？
• RQ5 低质量、暗弱星系在再电离早期阶段中所起作用有多大？它们是否在$z \lesssim 9$后因紫外背景增强而被光致电离抑制？

主要发现

• 当将LzLCS的$f_{\rm esc}$-$\beta$关系应用于高红移星系时，模型成功重现了观测到的再电离历史。
• $-16 \lesssim M_{\rm UV} \lesssim -13.5$的星系是再电离的主要驱动力，而更亮的星系（$M_{\rm UV} < -20$）在所有红移下均为次级贡献者。
• 群体平均$f_{\rm esc}$从$z \gtrsim 8$时的$\approx 20\%$下降至$z \approx 4.5$时的$\approx 8\%$，与高分辨率模拟及$z \gtrsim 3$的观测结果一致。
• 最暗淡的星系位于最低质量晕中，主导早期再电离，但在$z \lesssim 9$时因紫外背景增强而被光致电离抑制，其贡献显著降低。
• 尽管归一化存在差异，该模型预测的$f_{\rm esc}$演化趋势与辐射流体动力学模拟（如Rosdahl et al. 2018 和 Trebitsch et al. 2021）定性一致。
• 结果支持将低红移莱曼连续谱发射体作为高红移源的代理，验证了LzLCS作为再电离建模关键校准工具的有效性。