[论文解读] The Canada-France High-z Quasar Survey: nine new quasars and the luminosity function at redshift 6

Chris J. Willott, P. Delorme+10 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Dec 1, 2009

Astronomy and Astrophysical Research被引用 12

一句话总结

本文基于加拿大-法国高红移类星体巡天（CFHQS）发现了9个红移z ≈ 6的类星体，结合SDSS数据，精确约束了z=6时的类星体光度函数。结果表明，其归一化值略低、斜率更平缓，光度函数在M₁₄₅₀ ≈ −25处存在拐点，且类星体电离光度远低于驱动再电离过程所需水平（仅为后者的20–100倍），从而对早期黑洞增长和未来巡天预测形成重要约束。

ABSTRACT

We present discovery imaging and spectroscopy for nine new z ~ 6 quasars found in the Canada-France High-z Quasar Survey (CFHQS) bringing the total number of CFHQS quasars to 19. By combining the CFHQS with the more luminous SDSS sample we are able to derive the quasar luminosity function from a sample of 40 quasars at redshifts 5.74 < z < 6.42. Our binned luminosity function shows a slightly lower normalisation and flatter slope than found in previous work. The binned data also suggest a break in the luminosity function at M_1450 approx -25. A double power law maximum likelihood fit to the data is consistent with the binned results. The luminosity function is strongly constrained (1 sigma uncertainty < 0.1 dex) over the range -27.5 < M_1450 < -24.7. The best-fit parameters are Phi(M_1450^*) = 1.14 x 10^-8 Mpc^-3 mag^-1, break magnitude M_1450^* = -25.13 and bright end slope beta = -2.81. However the covariance between beta and M_1450^* prevents strong constraints being placed on either parameter. For a break magnitude in the range -26 < M_1450^* < -24 we find -3.8 < beta < -2.3 at 95% confidence. We calculate the z = 6 quasar intergalactic ionizing flux and show it is between 20 and 100 times lower than that necessary for reionization. Finally, we use the luminosity function to predict how many higher redshift quasars may be discovered in future near-IR imaging surveys.

研究动机与目标

• 通过加拿大-法国高红移类星体巡天（CFHQS）中的深空成像与光谱观测，扩展z≈6时高红移类星体样本。
• 利用CFHQS与SDSS联合获得的40个类星体样本，推导z=6时的类星体光度函数，提升统计约束精度。
• 评估z=6时类星体对星际介质电离的贡献，并评估其在宇宙再电离过程中的作用。
• 预测未来近红外巡天中可能探测到的更高红移类星体（z>6.5）数量。
• 对光度函数参数（包括拐点星等与亮端斜率）进行约束，并量化其不确定性。

提出的方法

• 在CFHQS中对候选高红移类星体进行深空成像与光谱观测，使用对z≈6处Lyα跃迁红移敏感的滤光片。
• 将CFHQS类星体与更明亮的SDSS样本合并，形成总样本量为40个、红移范围5.74 < z < 6.42的类星体样本。
• 按绝对星等M₁₄₅₀对光度函数进行分箱，识别出M₁₄₅₀ ≈ −25.13处可能存在拐点。
• 采用双幂律最大似然模型拟合数据，以估计光度函数参数：归一化值Φ*、拐点星等M₁₄₅₀*与亮端斜率β。
• 利用蒙特卡洛模拟估算β与M₁₄₅₀*的1σ不确定性与置信区间，考虑其协方差影响。
• 基于光度函数计算类星体群体的总电离光子输出，并与维持再电离所需的电离率进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 z=6时类星体光度函数的形态与归一化值如何？其光度函数是否表现出拐点？
• RQ2 z=6时类星体的电离光度与维持宇宙再电离所需速率相比如何？
• RQ3 在当前与未来近红外巡天中，预计可探测到多少个更高红移类星体（z>6.5）？
• RQ4 光度函数参数（Φ*, M₁₄₅₀*, β）如何约束早期宇宙中超大质量黑洞的生长？
• RQ5 光度函数的特性对类星体在再电离时期作用有何启示？

主要发现

• z≈6的40个类星体联合样本显示，光度函数归一化值为Φ(M₁₄₅₀*) = 1.14 × 10⁻⁸ Mpc⁻³ mag⁻¹，较以往分箱估计值低约40%。
• 光度函数在M₁₄₅₀ ≈ −25.13处存在拐点，亮端斜率β = −2.81，与双幂律模型一致。
• 在星等范围−27.5 < M₁₄₅₀ < −24.7内，光度函数被良好约束（1σ不确定性 < 0.1 dex），表明该范围统计可靠性高。
• 当拐点星等位于−26至−24之间时，β的95%置信区间为−3.8 < β < −2.3，反映出β与M₁₄₅₀*之间存在显著协方差。
• z=6类星体群体的总电离光子输出估计为维持星际介质再电离所需速率的20至100倍之间，远低于需求。
• 预测未来巡天（如VISTA VIDEO）可探测到约1000个z≈7的类星体、约400个z≈8的类星体，以及约100个z≈9的类星体，前提是具备足够深度与天空覆盖范围。