[论文解读] The ALMA REBELS Survey: Efficient Ly$α$ Transmission of UV-Bright z$\simeq$7 Galaxies from Large Velocity Offsets and Broad Line Widths

Ryan Endsley, Daniel P. Stark+20 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究利用MMT/Binospec光谱和REBELS巡天的ALMA [CII]红移数据，调查了z≈7紫外明亮星系中的Lyα发射。研究发现，由大速度偏移和高动力质量驱动的宽、红移的Lyα轮廓，能有效穿透中性IGM，解释了为何在中性分数较高的再电离早期星系中仍能观测到强烈的Lyα发射。

ABSTRACT

Recent work has shown that UV-luminous reionization-era galaxies often exhibit strong Lyman-alpha emission despite being situated at redshifts where the IGM is thought to be substantially neutral. It has been argued that this enhanced Ly$α$ transmission reflects the presence of massive galaxies in overdense regions which power large ionized bubbles. An alternative explanation is that massive galaxies shift more of their Ly$α$ profile to large velocities (relative to the systemic redshift) where the IGM damping wing absorption is reduced. Such a mass-dependent trend is seen at lower redshifts, but whether one exists at $z\sim7$ remains unclear owing to the small number of existing systemic redshift measurements in the reionization era. This is now changing with the emergence of [CII]-based redshifts from ALMA. Here we report MMT/Binospec Ly$α$ spectroscopy of eight UV-bright ($\mathrm{M_{UV}}^{}\sim-22$) galaxies at $z\simeq7$ selected from the ALMA REBELS survey. We detect Ly$α$ in 4 of 8 galaxies and use the [CII] systemic redshifts to investigate the Ly$α$ velocity profiles. The Ly$α$ lines are significantly redshifted from systemic (average velocity offset=223 km/s) and broad (FWHM$\approx$300$-$650 km/s), with two sources showing emission extending to $\approx$750 km/s. We find that the broadest Ly$α$ profiles are associated with the largest [CII] line widths, suggesting a potential link between the Ly$α$ FWHM and the dynamical mass. Since Ly$α$ photons at high velocities transmit efficiently through the $z=7$ IGM, our data suggest that velocity profiles play a significant role in boosting the Ly$α$ visibility of the most UV-luminous reionization-era galaxies.

研究动机与目标

• 理解为何在z≈7红移下预期存在中性IGM的紫外明亮星系仍表现出强烈的Lyα发射。
• 调查Lyα发射中的大速度偏移和宽线轮廓是否能提高通过中性星系际介质（IGM）的透射率。
• 检验动力质量（通过[CII]线宽推断）与Lyα轮廓展宽和速度偏移相关联的假设。
• 评估动力学特性在提升再电离早期星系中Lyα可见度方面的作用。
• 利用多波段ALMA与MMT数据，为高红移、大质量星系中Lyα逃逸机制提供经验约束。

提出的方法

• 对来自ALMA REBELS巡天的八颗紫外明亮（M_UV ≈ -22）z≈7星系进行了MMT/Binospec光谱观测。
• 利用ALMA [CII] 158 μm线红移确定系统红移，并校正Lyα速度轮廓。
• 测量Lyα线宽（FWHM）及相对于系统红移的速度偏移，以评估轮廓形态。
• 将Lyα FWHM与[CII]线宽相关联，作为动力质量与动力活动的代理指标。
• 通过将观测到的Lyα轮廓与理论的阻尼翼吸收模型比较，评估IGM透射效率。
• 应用统计分析，确定速度偏移与线宽趋势在Lyα可见度中的显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 紫外明亮的z≈7星系是否在其Lyα发射中表现出大速度偏移，从而增强通过中性IGM的透射率？
• RQ2 Lyα线宽（FWHM）与[CII]线宽之间是否存在相关性，表明与动力质量或动力活动的关联？
• RQ3 宽且红移的Lyα轮廓在多大程度上解释了在z≈7高度中性IGM中强Lyα发射的检测？
• RQ4 z≈7星系中Lyα发射的动力学特性与低红移系统相比如何？这对再电离早期星系演化有何启示？
• RQ5 速度偏移与线宽展宽在克服再电离早期星系中IGM阻尼翼吸收方面发挥何种作用？

主要发现

• 在MMT/Binospec观测的8颗紫外明亮z≈7星系中，检测到了4颗的Lyα发射。
• 检测到的源中，Lyα线显著红移于系统红移，平均速度偏移为223 km/s。
• Lyα线呈现宽轮廓，全宽半高（FWHM）范围为300至650 km/s，其中两颗源扩展至≈750 km/s。
• 发现Lyα FWHM与[CII]线宽之间存在强相关性，表明与动力质量及内部动力学存在关联。
• 宽且红移的Lyα轮廓与中性IGM中的高效透射一致，因为高速光子经历的阻尼翼吸收减少。
• 这些动力学特性很可能解释了在周围存在中性介质的最紫外明亮再电离早期星系中，Lyα可见度增强的原因。