[论文解读] Revisiting the LyC Escape Fraction Crisis: Predictions for z > 6 from Locals

Andreas L. Faisst|arXiv (Cornell University)|May 20, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 15被引用 8

一句话总结

该论文利用本地高红移类星体，预测了 z > 6 时的电离连续谱逃逸分数（f_(esc)），结合 [OIII]/[OII] 比值与红移演化，推断出在 z=6 时 f_(esc) = 5.7⁺⁸.³₋₃.₃%、在 z=9 时 f_(esc) = 10.4⁺¹⁵.⁵₋₆.₃%（对应 log(M/M⊙) ~ 9.0）。研究发现 f_(esc) 随恒星质量减小而增加，并表明平均星系群体在 z ~ 6 时刚好足以完成宇宙再电离。

ABSTRACT

The intrinsic escape fraction of ionizing Lyman continuum photons (f_(esc)) is crucial to understand whether galaxies are capable of reionizing the neutral hydrogen in the early universe at z>6. Unfortunately, it is not possible to access f_(esc) at z>4 with direct observations and the handful of measurements from low redshift galaxies consistently find f_(esc) 6 by combining the (sparsely populated) relation between [OIII]/[OII] and f_(esc) with the redshift evolution of [OIII]/[OII] as predicted from local high-z analogs selected by their Hα equivalent-width. We find f_(esc) = 5.7^(+8.3)_(−3.3)% at z=6 and f_(esc) = 10.4^(+15.5)_(−6.3)% at z=9 for galaxies with log(M/M⊙) ~ 9.0 (errors given as 1σ). However, there is a negative correlation with stellar mass and we find up to 50% larger f_(esc) per 0.5 dex decrease in stellar mass. The population averaged escape fraction increases according to f_(esc) = f_(esc,0)((1+z)/3)^ α, with f_(esc,0)=2.3±0.05% and α=1.17±0.02 at z > 2 for log(M/M⊙) ~ 9.0. With our empirical prediction of f_(esc) (thus fixing an important previously unknown variable) and further reasonable assumption on clumping factor and the production efficiency of Lyman continuum photons, we conclude that the average population of galaxies is just capable to reionize the universe by z ~ 6.

研究动机与目标

• 通过预测 z > 6 时的 f_(esc) 来解决 'LyC 逃逸分数危机'，因为此时直接测量不可行。
• 解决 f_(esc) 不确定性这一建模宇宙再电离过程中的关键未知因素。
• 利用具有 Hα 等效宽度的本地高红移类星体，推断 f_(esc) 随红移的演化。
• 量化 log(M/M⊙) ~ 9.0 的星系中 f_(esc) 对恒星质量和红移的依赖关系。
• 基于经验 f_(esc) 约束，评估平均星系群体是否能在 z ~ 6 前完成宇宙再电离。

提出的方法

• 利用已知 f_(esc) 测量值的低红移星系，将 [OIII]/[OII] 发射线比值与 f_(esc) 进行经验关联。
• 将本地高红移类星体中 [OIII]/[OII] 的红移演化应用于外推 f_(esc) 至 z > 6。
• 利用本地星系中 [OIII]/[OII] 与 f_(esc) 的观测相关性，建模更高红移的 f_(esc)。
• 使用幂律形式 f_(esc) = f_(esc,0) × ((1+z)/3)^α 建模 f_(esc) 与红移和恒星质量的关系。
• 结合关于凝聚因子和电离光子产生效率的合理假设，评估再电离潜力。
• 通过 [OIII]/[OII]–f_(esc) 关系和红移演化的误差传播，推导 f_(esc) 的 1σ 置信区间。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于本地类星体，对于 log(M/M⊙) ~ 9.0 的星系，z = 6 和 z = 9 时预测的 LyC 逃逸分数是多少？
• RQ2 f_(esc) 如何随恒星质量变化？每降低 0.5 dex 的质量，其变化比例是多少？
• RQ3 对于固定恒星质量的星系，f_(esc) 的红移演化特性如何？其参数化形式是什么？
• RQ4 z > 6 的平均星系群体是否能产生足够的电离光子以实现宇宙再电离？
• RQ5 f_(esc) 的不确定性以及对凝聚因子和光子产生效率的假设，如何影响再电离结论？

主要发现

• 对于 log(M/M⊙) ~ 9.0 的星系，z = 6 时预测的 f_(esc) 为 5.7⁺⁸.³₋₃.₃%。
• 对于相同恒星质量，z = 9 时预测的 f_(esc) 为 10.4⁺¹⁵.⁵₋₆.³%。
• 每降低 0.5 dex 的恒星质量，f_(esc) 最多增加 50%，表明其具有强烈的负质量依赖性。
• f_(esc) 的红移演化遵循 f_(esc) = f_(esc,0) × ((1+z)/3)^α，其中 f_(esc,0) = 2.3 ± 0.05% 且 α = 1.17 ± 0.02（z > 2）。
• 在经验 f_(esc) 及对凝聚因子和电离效率的合理假设下，平均星系群体刚好具备在 z ~ 6 前完成宇宙再电离的能力。
• 当正确考虑质量与红移依赖性时，群体平均的 f_(esc) 足够填补再电离预算。