[论文解读] Spectral Signatures of Population III and Envelope-stripped Stars in Galaxies at the Epoch of Reionization

Elizabeth Berzin, Amy Secunda+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 105被引用 4

一句话总结

本研究调查了再电离时期高红移星系的光谱能量分布（SEDs），比较了由第三星族恒星主导与双星演化形成的剥离恒星主导的星系。利用离子化波段的四种SED指标，研究发现剥离恒星产生的电离光谱显著更硬，幂律指数更低，且FUV与LyC光度比更低，与单星种群相比可清晰区分，尤其在低光度系统中（MUV > −15）。

ABSTRACT

While most simulations of the epoch of reionization have focused on single-stellar populations in star-forming dwarf galaxies, products of binary evolution are expected to significantly contribute to emissions of hydrogen-ionizing photons. Among these products are stripped stars (or helium stars), which have their envelopes stripped from interactions with binary companions, leaving an exposed helium core. Previous work has suggested these stripped stars can dominate the LyC photon output of high-redshift low luminosity galaxies. Other sources of hard radiation in the early universe include zero-metallicity Population III stars, which may have similar SED properties to galaxies with radiation dominated by stripped star emissions. Here, we use two metrics (the power-law exponent over wavelength intervals 240-500 {A}, 600-900 {A}, and 1200-2000 {A}, and the ratio of total luminosity in FUV wavelengths to LyC wavelengths) to compare the SEDs of simulated galaxies with only single-stellar evolution, galaxies containing stripped stars, and galaxies containing Population III stars, with four different IMFs. We find that stripped stars significantly alter the SEDs in the LyC range of galaxies at the epoch of reionization. SEDs in galaxies with stripped stars present have lower power-law indices in the LyC range and lower FUV to LyC luminosity ratios. These differences in SEDs are present at all considered luminosities ($M_{UV} > -15$, AB system), and are most pronounced for lower luminosity galaxies. We also find that SEDs of galaxies with stripped stars and Pop III stars are distinct from each other for all tested IMFs.

研究动机与目标

• 识别高红移星系中包层剥离恒星的特异性光谱能量分布（SED）特征。
• 比较不同初始质量函数（IMFs）下由剥离恒星与第三星族恒星主导的星系SED。
• 确定JWST能否基于电离与FUV光谱特性区分这两种电离源。
• 评估双星演化产物如何改变低光度、后爆发星系中的莱曼连续（LyC）发射与逃逸光度分数。

提出的方法

• 利用星族合成模型生成了Mvir从10^8到10^10.5 M⊙的高红移矮星系的模拟SED。
• 计算了四种光谱指标：240–500 Å、600–900 Å和1200–2000 Å波段的幂律指数，以及FUV与LyC光度比。
• 对三种情形进行了SED建模：单星演化、剥离恒星和具有四种不同IMFs（A–D）的第三星族恒星。
• 对原始SED应用了ISM吸收，以模拟真实的视线效应。
• 在光度区间（MUV > −15）内对指标分布进行统计比较，以评估可探测性与可区分性。
• 结果与已知观测约束及JWST灵敏度阈值进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在电离波段中区分由剥离恒星主导的星系SED与第三星族恒星主导的星系SED？
• RQ2 在不同光度下，有无剥离恒星的星系在光谱硬度与FUV与LyC光度比方面有何差异？
• RQ3 剥离恒星在z ≈ 6–7的低质量、后爆发星系中，对LyC发射与逃逸光度分数的影响程度如何？
• RQ4 剥离恒星与第三星族主导星系的SED差异在不同初始质量函数（IMFs）下是否具有鲁棒性？
• RQ5 JWST观测能否基于电离SED特征探测并分离剥离恒星与第三星族恒星的贡献？

主要发现

• 具有剥离恒星的星系在LyC波段（240–500 Å）表现出显著更低的幂律指数，表明其电离光谱更硬。
• 具有剥离恒星的星系中，FUV与LyC光度比系统性更低，是关键的可观测量判据。
• 这些SED差异在低光度星系（MUV > −15）中最为显著，对比度在MUV ≈ −15至−14之间最大。
• 超过80%的剥离恒星主导且光度比在10至500之间的星系，其爆发时间超过10 Myr，表明电离特征具有较长寿命。
• 在所有测试的IMFs（A–D）下，剥离恒星主导与第三星族主导星系的SED在统计上具有显著差异，指标分布无显著重叠。
• 在最低光度子样本中，具有剥离恒星型SED且爆发时间超过10 Myr的星系比例上升至约90%，表明存在强烈的演化特征。