[论文解读] The UV spectrum of HS1700+6416 II. FUSE observations of the HeII Lyman alpha forest

C. Fechner, D. Reimers+12 more|ArXiv.org|May 5, 2006

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 55被引用 45

一句话总结

本研究利用FUSE对类星体HS 1700+6416进行远紫外光谱观测，测量再电离后宇宙大尺度介质中He ii/H i柱密度比（η）。通过线轮廓拟合与表观光学深度法，发现z ≈ 2.6时η ≈ 100，表明软电离源（如星系）有显著贡献，且η的离散程度超过预期噪声，提示紫外背景存在真实涨落。

ABSTRACT

We present the far-UV spectrum of the quasar HS1700+6416 taken with FUSE. This QSO provides the second line of sight with the HeII absorption resolved into a Ly alpha forest structure. Since HS1700+6416 is slightly less redshifted (z=2.72) than HE2347-4342, we only probe the post-reionization phase of HeII, seen in the evolution of the HeII opacity, which is consistent with a simple power law. The HeII/HI ratio eta is estimated using a line profile-fitting procedure and an apparent optical depth approach, respectively. The expected metal line absorption in the far-UV is taken into account as well as molecular absorption of galactic H_2. About 27% of the eta values are affected by metal line absorption. In order to investigate the applicability of the analysis methods, we create simple artificial spectra based on the statistical properties of the HI Ly alpha forest. The analysis of the artificial data demonstrates that the apparent optical depth method as well as the line profile-fitting procedure lead to confident results for restricted data samples only (12.0 < log N(HI) < 13.0). The reasons are saturation in the case of the apparent optical depth and thermal line widths in the case of the profile fits. Furthermore, applying the methods to the unrestricted data set may mimic a correlation between eta and the strength of the HI absorption. For the restricted data samples a scatter of 10 - 15% in eta would be expected even if the underlying value is constant. The observed scatter is significantly larger than expected, indicating that the intergalactic radiation background is indeed fluctuating. In the redshift range 2.58 < z < 2.72, where the data quality is best, we find eta ~ 100, suggesting a contribution of soft sources like galaxies to the UV background.

研究动机与目标

• 利用类星体HS 1700+6416的高分辨率FUSE光谱，测量宇宙大尺度介质中的He ii/H i柱密度比（η）。
• 评估两种分析方法——线轮廓拟合与表观光学深度法——在存在金属吸收和H2吸收情况下的可靠性，以推导η值。
• 探究观测到的η与H i吸收深度之间的相关性是否为物理效应，或仅为分析方法局限性的产物。
• 评估金属线吸收与星系H2吸收对η测量的影响及其统计偏差。
• 判断紫外背景是否具有空间涨落，或与平滑幂律谱一致。

提出的方法

• 利用FUSE对类星体HS 1700+6416进行远紫外光谱观测，探测红移z ≈ 2.72处的He ii Lyα森林吸收。
• 将表观光学深度法应用于He ii与H i谱线，限定τ_Hi ∈ [0.01, 0.1]以避免饱和偏差。
• 对log N_Hi ∈ [12.0, 13.0]的He ii吸收体进行线轮廓拟合，以最小化热展宽效应。
• 基于H i Lyα森林统计特性生成人工光谱，以检验方法的稳健性并识别系统性偏差。
• 引入金属线吸收模型（Fechner et al. 2006）与星系H2吸收，以校正虚假He ii吸收特征。
• 利用金属线系的光致电离模型独立估算η值，并验证拟合结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HS 1700+6416视线方向的宇宙大尺度介质中，He ii/H i柱密度比（η）是多少？其对电离辐射场有何启示？
• RQ2 金属线与H2吸收特征在多大程度上会偏差He ii Lyα森林中η的测量？
• RQ3 观测到的η与H i吸收强度之间的相关性是物理效应，还是分析方法局限性的产物？
• RQ4 η的离散程度是否超过仅由测量噪声预期的范围，提示紫外背景存在真实涨落？
• RQ5 关于线宽展宽（湍流 vs. 热展宽）的假设如何影响η测量的可靠性？

主要发现

• 在红移范围2.58 < z < 2.72内，He ii/H i柱密度比的平均值为η ≈ 100（log η ≈ 2.0），表明星系等软电离源有显著贡献。
• 约27%的He ii谱线受金属线吸收影响，19%的谱线出现Δlog η > 0.01，表明个别测量存在潜在偏差。
• η的离散程度大于仅由测量噪声预期的10–15%，提示紫外背景存在真实的空间涨落。
• 当应用于受限数据样本时，表观光学深度法与轮廓拟合法结果一致；但应用于无限制数据时，均出现系统性偏差。
• 假设线宽展宽为纯湍流展宽将导致系统性误差；未来分析中必须考虑热展宽效应。
• 观测到的η值与以类星体和软电离源混合主导的紫外背景一致，支持近期基于H i光学厚度与金属丰度研究的发现。