[论文解读] The Luminosity Function of Bright QSOs at z ∼ 4 and Implications for the Cosmic Ionizing Background

K. Boutsia, A. Grazian+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 83被引用 25

一句话总结

本研究基于QUBRICS巡天，给出了红移z ∼ 4时明亮类星体的亮度函数，该巡天在南天12,400平方度的天区中识别出58个QSO。其结果表明，亮端斜率更陡（β = −4.025），空间密度更高（2.61×10⁻¹⁰ Mpc⁻³），表明在z ∼ 4时，绝对星等M₁₄₅₀ < −18的活动星系核（AGN）足以完全解释宇宙电离背景，其光离化率log(Γ/s⁻¹) = −12.17⁺⁰.¹³₋₀.₀₇。

ABSTRACT

Based on results by recent surveys, the number of bright quasars at redshifts z>3 is being constantly revised upwards. Current consensus is that at bright magnitudes ($M_{1450}\le -27$) the number densities of such sources could have been underestimated by a factor of 30-40%. In the framework of the QUBRICS survey, we identified 58 bright QSOs at 3.6$\le z \le $4.2, with magnitudes $i_{psf}\le$18, in an area of 12400$deg^{2}$. The uniqueness of our survey is underlined by the fact that it allows us, for the first time, to extend the sampled absolute magnitude range up to $M_{1450}= -29.5$. We derived a bright-end slope of $\beta=-4.025$ and a space density at $<M_{1450}>=-28.75$ of 2.61$ imes 10^{-10} Mpc^{-3}$ comoving, after taking into account the estimated incompleteness of our observations. Taking into account the results of fainter surveys, AGN brighter than $M_{1450}=-23$ could produce at least half of the ionizing emissivity at z$\sim$4. Considering a mean escape fraction of 0.7 for the QSO and AGN population, combined with a mean free path of 41.3 proper Mpc at $z=3.9$, we derive a photoionization rate of $Log(\Gamma [s^{-1}])=-12.17^{+0.13}_{-0.07}$, produced by AGN at M$_{1450}<-18$, i.e. ~100% of the measured ionizing background at z~4.

研究动机与目标

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• 利用前所未有的绝对星等深度，测定z ∼ 4时明亮QSO的空间密度。
• 评估活动星系核（AGN）对z ∼ 4时宇宙电离背景的贡献。
• 检验观测到的QSO亮度函数与理论模型及先前巡天结果的一致性。

提出的方法

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• QUBRICS巡天利用SkyMapper、Gaia、2MASS和WISE的多波段测光数据，识别高红移类星体候选体。
• 采用基于已知类星体训练的典型相关分析（CCA），对源进行类星体候选体分类。
• 使用1/Vmax方法推导亮度函数，并对巡天的不完全性进行校正。
• 基于z = 3.9时的平均电离光子逃逸分数0.7和平均自由程41.3协变量Mpc，计算电离发射率和光离化率。
• 将结果与半分析模型及先前巡天（如SDSS和ELQS）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 .
• RQ2 z ∼ 4时明亮QSO的真实空间密度是多少？与先前估计相比如何？
• RQ3 在M₁₄₅₀ < −18的AGN在多大程度上能够产生z ∼ 4时观测到的电离背景？
• RQ4 z ∼ 4时的亮度函数与理论模型及早期巡天结果相比如何？
• RQ5 巡天的完备性和选择函数对推导出的亮度函数有何影响？

主要发现

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• QUBRICS巡天将观测到的QSO亮度函数延伸至M₁₄₅₀ = −29.5，这是目前在z ∼ 4时探测到的最暗绝对星等。
• 亮度函数的亮端斜率测量值为β = −4.025，显著比先前估计更陡。
• 在< M₁₄₅₀ > = −28.75时，QSO的空间密度为2.61×10⁻¹⁰ Mpc⁻³，比SDSS估计高出30–40%。
• M₁₄₅₀ < −18的AGN产生的光离化率为log(Γ/s⁻¹) = −12.17⁺⁰.¹³₋₀.₀₇，与z ∼ 4时观测到的电离背景一致。
• 该亮度函数与Fan等人（2001）、Akiyama等人（2018）及其他研究的先前拟合结果存在矛盾，尤其在明亮星等处。
• 结果表明，即使考虑逃逸分数和平均自由程的不确定性，AGN本身即可维持z ∼ 4时电离介质的电离状态。