[论文解读] The clustering of Lyman alpha emitters at z=7: implications for reionization and host halo masses

Emanuele Sobacchi, Andrei Mesinger|arXiv (Cornell University)|May 11, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究利用 z≈7 的莱曼阿尔法发射体（LAEs）的角相关函数（ACF）探测再电离时期及宿主暗物质晕质量，结果表明观测到的低相关性暗示中性氢分数 ⟨x_HI⟩ < 0.5（1σ），且宿主晕质量 M_h ≲ 10¹⁰ M☉——表明 LAEs 很可能是低质量晕中的年轻星暴星系。预计 HSC 超深巡天将显著收紧这些约束。

ABSTRACT

The Ly$α$ line of high-redshift galaxies has emerged as a powerful probe of both early galaxy evolution and the epoch of reionization (EoR). Motivated by the upcoming wide-field survey with the Subaru Hyper Suprime-Cam (HSC), we study the angular correlation function (ACF) of narrow-band selected, $z\approx7$ Ly$α$ emitting galaxies (LAEs). The clustering of LAEs is determined by both: (i) their typical host halo masses, $\bar{M}_{ m h}$; and (ii) the absorption due to a patchy EoR, characterized by an average neutral fraction of the intergalactic medium, $\bar{x}_{ m HI}$. We bracket the allowed LAE ACFs by exploring extreme scenarios for both the intrinsic Ly$α$ emission and the large-scale pattern (i.e. morphology) of cosmic ionized patches in physical EoR models. Independent of the EoR morphology, current $z\approx 7$ ACF measurements constrain $\bar{x}_{ m HI}\lesssim 0.5$ (1-$σ$). We also find that the low values of the currently-observed ACF imply that LAEs are hosted by relatively small dark matter halos: $\bar{M}_{ m h} \lesssim 10^{10} M_{\odot}$, with corresponding duty cycles of $\lesssim$ few per cent. These values are over an order of magnitude lower than the analogous ones for color-selected, Lyman break galaxies, suggesting that $z\approx 7$ narrow-band LAEs searches are preferentially selecting young, star-burst galaxies, residing in less massive halos. The upcoming Ultra Deep campaign with the HSC will significantly improve constraints on both the EoR and LAE host halos.

研究动机与目标

• 利用 z≈7 莱曼阿尔法发射体（LAEs）的角相关函数（ACF）作为再电离时期（EoR）及其宿主晕质量的探针。
• 通过团聚测量，将再电离效应（通过中性 IGM 分数 x_HI 表征）与莱曼阿尔法发射体的本征性质（如莱曼阿尔法光度、逃逸分数等）的影响分离开来。
• 评估即将开展的 HSC 超深巡天数据在约束再电离时期及 LAE 宿主晕质量方面的潜力。
• 探究窄带选中的 LAEs 与颜色选中的莱曼断裂星系（LBGs）在宿主晕特性及活跃时长方面的差异。

提出的方法

• 通过结合暗物质晕团聚与补丁式再电离引起的 IGM 透射效应，建模 z≈7 LAEs 的观测角相关函数（ACF）。
• 探索本征莱曼阿尔法发射与再电离形态（如电离泡图案）的极端情景，以界定观测 ACF 允许范围的边界。
• 利用 Ouchi 等人（2010）在 z=6.6 处测得的观测 ACF，假设 ACF 主要由晕团聚与 IGM 吸收共同主导，约束平均中性氢分数 ⟨x_HI⟩。
• 通过要求本征 ACF（由晕团聚产生）在考虑 IGM 吸收效应后不超过观测 ACF，推导宿主晕质量 M_h 的上限。
• 通过结合观测数密度、晕质量函数及典型莱曼阿尔法光度函数，估算 LAEs 的活跃时长（duty cycle）。
• 基于预期的 HSC 超深巡天灵敏度，投影未来约束，假设观测 ACF 与当前测量结果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 z≈7 处 LAEs 的观测角相关函数（ACF）中，可对 IGM 中的平均中性氢分数 ⟨x_HI⟩ 得到何种约束？
• RQ2 基于其观测团聚幅度，z≈7 LAEs 的宿主晕质量 M_h 的上限是多少？
• RQ3 与 z≈7 处颜色选中的莱曼断裂星系（LBGs）相比，窄带选中的 LAEs 所推断的宿主晕质量与活跃时长有何差异？
• RQ4 在本征莱曼阿尔法发射特性存在不确定性的情况下，LAE 团聚在多大程度上可作为再电离时期的有效探针？
• RQ5 即将开展的 HSC 超深巡天将在多大程度上改善对 z≈7 LAEs 的 ⟨x_HI⟩ 与 M_h 的约束？

主要发现

• 当前对 z≈7 LAE 角相关函数的测量表明，IGM 中的平均中性氢分数被约束在 ⟨x_HI⟩ < 0.5（1σ 置信水平）以内。
• 观测到的低 ACF 暗示 LAEs 宿主于相对低质量的暗物质晕中，其平均宿主晕质量 M_h ≲ 10¹⁰ M☉。
• 推断的 LAEs 活跃时长——即晕中存在可探测 LAE 的时间比例——低于百分之几，表明其莱曼阿尔法活动极为稀少且短暂。
• 这些宿主晕质量比 z≈7 处颜色选中的莱曼断裂星系（LBGs）所推断的质量低一个多数量级，表明 LAEs 更可能选择的是不同群体。
• 宿主晕质量的差异可能源于窄带巡天的选源函数，其倾向于选择低质量晕中具有高莱曼阿尔法等效宽度的年轻星暴星系。
• 预计 HSC 超深巡天将使 ⟨x_HI⟩ 的约束提升至 ≲ 0.3（1σ），前提是观测 ACF 与当前测量结果保持一致。