[论文解读] Silverrush. IX. Lyα intensity mapping with star-forming galaxies at z = 5.7 and 6.6: Lyα emission extended at > 150 comoving kpc beyond the virial-radius scale of galaxy dark matter halos

Ryota Kakuma, Masmi Ouchi+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 6被引用 6

一句话总结

本研究利用昴星望远镜/HSC的超深窄带成像以及红移 z = 5.7 和 6.6 处的Lyα发射体（LAE）星表，探测到星系周围150共动千秒差距以外的弥散Lyα发射，在 z = 5.7 处达到3σ显著性，在 z = 6.6 处为2σ。该延伸发射的表面亮度约为10⁻²⁰–10⁻¹⁹ erg s⁻¹ cm⁻² arcsec⁻²，可能源于中心Lyα发射与未知源（如冷气体流或星风）的组合，而非未分辨的卫星星系。

ABSTRACT

We present results of the cross-correlation Lya intensity mapping with Subaru/Hyper Suprime-Cam (HSC) ultra-deep narrowband images and Lya emitters (LAEs) at $z=5.7$ and $6.6$ in a total area of $4$ deg$^2$. Although overwhelming amount of data quality controls have been performed for the narrowband images and the LAE samples, we further conduct extensive analysis evaluating systematics of large-scale point spread function wings, sky subtractions, and unknown errors on the basis of physically uncorrelated signals and sources found in real HSC images and object catalogs, respectively. Removing the systematics, we carefully calculate cross-correlations between Lya intensity of the narrowband images and the LAEs. We identify very diffuse Lya emission with the $3\sigma$ ($2\sigma$) significance at $>150$ comoving kpc (ckpc) far from the LAEs at $z = 5.7$ ($6.6$), beyond a virial radius of star-forming galaxies with $M_\mathrm{h} \sim 10^{11} M_\odot$. The diffuse Lya emission possibly extends up to $1,000$ ckpc with the surface brightness of $10^{-20}-10^{-19}$ erg s$^{-1}$ cm$^{-2}$ arcsec$^{-2}$. We confirm that the small-scale ($<150$ ckpc) Lya radial profiles of LAEs in our Lya intensity maps are consistent with those obtained by recent MUSE observations (Leclercq et al. 2017). Comparisons with numerical simulations suggest that the large-scale ($\sim 150-1,000$ ckpc) Lya emission are not explained by unresolved faint sources of neighboring galaxies including satellites, but by a combination of Lya photons emitted from the central LAE and other unknown sources, such as a cold-gas stream and galactic outflow. We find no evolution in the Lya radial profiles of our LAEs from $z=5.7$ to $6.6$, where theoretical models predict a flattening of the profile slope made by cosmic reionization, albeit with our moderately large observational errors.

研究动机与目标

• 探测并表征星系红移 z = 5.7 和 6.6 处大尺度（>150 共动千秒差距）的弥散Lyα发射，位于星系virial半径之外。
• 评估并减轻窄带成像和LAE星表中的系统误差，包括PSF尾瓣、天空背景减除及未知误差。
• 判断观测到的大尺度Lyα发射是否可由未分辨的微弱源解释，或是否需要额外的物理机制。
• 比较 z = 5.7 和 z = 6.6 处的Lyα径向分布，以检验宇宙再电离预期的演化特征。
• 通过独立的MUSE观测和数值模拟验证强度映射结果。

提出的方法

• 在4 deg²的范围内，对昴星望远镜/HSC超深窄带图像生成的Lyα表面亮度图与LAE星表进行交叉相关分析。
• 利用物理上不相关的信号和真实HSC图像伪影，实施严格的数据质量控制与系统误差评估。
• 测量150共动千秒差距以外的Lyα径向分布，通过统计误差传播和系统误差去除方法评估显著性。
• 将观测到的Lyα分布与近期MUSE观测结果进行比较，以验证小尺度形态特征。
• 利用数值模拟检验未分辨卫星星系或扩展发射机制（如气体流、星风）中哪一种最能解释大尺度发射。
• 评估 z = 5.7 到 z = 6.6 之间Lyα分布的红移演化，同时考虑观测不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z = 5.7 和 6.6 处，星系周围150共动千秒差距以外是否存在可探测的Lyα发射？
• RQ2 观测到的大尺度Lyα发射是否可归因于未分辨的微弱源（如卫星星系）？
• RQ3 何种物理机制——如气体流或星系外流——最能解释virial半径以外的扩展Lyα发射？
• RQ4 z = 5.7 处LAE的Lyα径向分布与 z = 6.6 处相比如何？是否存在因宇宙再电离导致的演化证据？
• RQ5 PSF尾瓣和天空背景减除等系统误差在多大程度上影响了弥散Lyα发射的探测？

主要发现

• 在 z = 5.7 处，150共动千秒差距以外检测到3σ显著性的弥散Lyα发射，在 z = 6.6 处为2σ，延伸范围可能达1,000共动千秒差距。
• 延伸发射的表面亮度测量值为10⁻²⁰–10⁻¹⁹ erg s⁻¹ cm⁻² arcsec⁻²，表明存在显著且空间扩展的成分。
• 小尺度（<150 ckpc）Lyα径向分布与近期MUSE观测结果一致，验证了强度映射技术的有效性。
• 数值模拟表明，大尺度发射无法仅由未分辨的卫星星系解释，暗示存在额外来源，如冷气体流或星系外流。
• 尽管理论预期因宇宙再电离导致分布变平，但在 z = 5.7 到 z = 6.6 之间未观测到Lyα径向分布的显著演化。
• 对PSF尾瓣和天空背景减除等系统误差进行了严格评估与消除，增强了对弥散发射探测结果的信心。