[论文解读] The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey XIV. The evolution of the Lya emitter fraction from z=3 to z=6

Haruka Kusakabe, J. Blaizot+20 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 124被引用 12

一句话总结

本研究利用深部 MUSE 空间分辨光谱仪对哈勃极深空场进行观测，测量了紫外较暗星系（M₁₅₀₀ ≈ −17.75）在红移 z=3 至 z=6 之间的莱曼-α发射体（LAE）分数演化，发现 LAE 分数较低（X_LAE ≲ 30%），且最佳拟合线性演化关系为 X_LAE = 0.07⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰³z − 0.22⁺⁰.¹²₋₀.²⁴，表明在 z ≈ 5.5 处可能存在转折点，支持晚期或不均匀再电离过程，且爆发式恒星形成模型比平稳模型更符合观测结果。

ABSTRACT

The Lya emitter (LAE) fraction, X_LAE, is a potentially powerful probe of the evolution of the intergalactic neutral hydrogen gas fraction. However, uncertainties in the measurement of X_LAE are still debated. Thanks to deep data obtained with MUSE, we can measure the evolution of X_LAE homogeneously over a wide redshift range of z~3-6 for UV-faint galaxies (down to M_1500~-17.75). This is significantly fainter than in former studies, and allows us to probe the bulk of the population of high-z star-forming galaxies. We construct a UV-complete photo-redshift sample following UV luminosity functions and measure the Lya emission with MUSE using the second data release from the MUSE HUDF Survey. We derive the redshift evolution of X_LAE for M_1500 in [-21.75;-17.75] for the first time with a equivalent width range EW(Lya)>=65 A and find low values of X_ LAE~50 A at z~3-4, in contrast with previous work. The differences in X_LAE mainly arise from selection biases for Lyman Break Galaxies (LBGs) in the literature: UV-faint LBGs are more easily selected if they have strong Lya emission, hence X_LAE is biased towards higher values. Our results suggest either a lower increase of X_LAE towards z~6 than previously suggested, or even a turnover of X_LAE at z~5.5, which may be the signature of a late or patchy reionization process. We compared our results with predictions from a cosmological galaxy evolution model. We find that a model with a bursty star formation (SF) can reproduce our observed X_LAE much better than models where SF is a smooth function of time.

研究动机与目标

• 测量紫外较暗星系（M₁₅₀₀ ≈ −17.75）在 z≈3–6 范围内莱曼-α发射体（LAE）分数 X_LAE 的红移演化，扩展至比以往研究更暗的星等。
• 评估先前文献中选择偏差的影响，特别是莱曼断裂星系（LBG）样本中强烈发射莱曼-α源的过度代表现象。
• 检验在 z≈3–4 时 X_LAE 是否依赖于紫外星等（M₁₅₀₀），以挑战先前关于强依赖性的主张。
• 将观测到的 LAE 分数与宇宙学星系演化模型的预测进行比较，尤其关注恒星形成历史。

提出的方法

• 利用紫外光度函数构建紫外完整、具有光度红移的样本，以定义每个红移和星等区间内的星系群体。
• 利用 MUSE 哈勃极深空场调查第二期数据，以高灵敏度和空间分辨率探测莱曼-α发射。
• 应用完备性修正以补偿检测极限，使用蒙特卡洛模拟在二项比例置信区间（BPCI）框架内传播不确定性。
• 对 X_LAE 作为红移 z 和紫外星等 M₁₅₀₀ 的函数拟合线性关系，并通过模拟观测验证误差传播。
• 将观测到的 X_LAE 值与宇宙学星系演化模型的预测进行比较，特别关注爆发式与平稳恒星形成历史的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于紫外较暗星系（M₁₅₀₀ ≈ −17.75），LAE 分数 X_LAE 从 z=3 到 z=6 的红移演化如何？
• RQ2 在 z≈3–4 时，X_LAE 对紫外星等 M₁₅₀₀ 的依赖性与先前研究相比如何？其显著性如何？
• RQ3 由于偏向于强莱曼-α发射 LBG 的选择效应，先前的 LAE 分数测量在多大程度上存在偏差？
• RQ4 观测到的 X_LAE 演化是否支持晚期或不均匀再电离情景？当前星系演化模型在多大程度上能再现该演化？

主要发现

• 在 z≤6 时，LAE 分数 X_LAE 确认为 ≤30%，最佳拟合线性关系为 X_LAE = 0.07⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰³z − 0.22⁺⁰.¹²₋₀.²⁴。
• 对于 M₁₅₀₀ ∈ [−20.25, −18.75] 且 EW(Lyα) ≥ 25 Å 的样本，推导出的 X_LAE 值在 z≤5 时与文献值在 1σ 范围内一致，但中位数系统性偏低。
• 在 z≈3–4 时，对于 EW(Lyα) ≥ 50 Å 的样本，未发现 X_LAE 与 M₁₅₀₀ 之间存在显著依赖性，与早期研究中报告的强依赖性相矛盾。
• 与先前研究的差异归因于选择偏差：紫外较暗但具有强莱曼-α发射的 LBG 更易被探测到，从而在样本中高估了 X_LAE。
• 观测到的 X_LAE 演化表明在 z≈5.5 处可能存在转折或平台，暗示再电离过程为晚期或不均匀。
• 具有爆发式恒星形成历史的宇宙学星系演化模型比具有平稳恒星形成历史的模型更准确地再现了观测到的 X_LAE。