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[利用强引力透镜探测高红移Lya Emitter]

(本文为AstroLeaks试稿第一篇,特别感谢Arizona大学蔡峥同学的供稿;欢迎就文章形式,排版等各种问题发表您的意见!)

标题: Keck Survey for Gravitationally Lensed Lya emitters in the Redshift Range 8.5-10.4: New constraints the contribution of Low-Luminosity sources to Cosmic Reionization
作者: Daniel P. Stark, Richard S. Ellis, Johan Richard, Jean-Paul Kneib, Graham P. Smith, Michael R. Santos
论文索引: astro-ph: 0701279
整理供稿: 蔡峥 (University of Arizona)

名词解释:

  • 1. Gravitationally Lensing: 引力透镜,背景星系发出的光由于前景质量(可能是星系,星系团…)引力而偏折,导致背景星系形状扭曲 (shear),保持形状不变的放大 (convergence),被放大后的面积=\frac{1}{(1-Convergence)^2-{Shear}^2} \times (Original Area) 。此过程面亮度不变。而且,lensing 是没有色散的,也就是说各个波段的光都得到了相等程度的放大 (判断是否是lensing的标准之一)。

  • Lensing

    Fig.1: 星系团产生强引力透镜的示意图

  • 2. Lya Emitter: Ly\alpha这条发射线(静止系1216 \AA)是由于UV (波长小于912埃)的光子可以电离氢原子,被电离的氢离子与电子再结合时电子从 n=2 跃迁到 n=1 产生的。Lya 发射线是正在形成恒星的星系 (star forming galaxy) 最显著的发射线,也基本上是探测高红移星系唯一的途径。这里Lya emitter 就指有很高流量的 Lya 发射线辐射的星系,可能是 Lyman break galaxy(Lya蓝端连续谱很弱,红端较强), 也可能是只有 Lyman alpha emitter, 也就是Lya 两端连续谱都很弱的星系。
  • 文章介绍:

    这篇文章是在之前没有高红移候选星系的情况下做的一个巡天观测,用来寻找极高红移的比较暗的星系(8.5-10.4,如果宇宙现在134亿岁,那个时候才3、4亿岁的样子,不过星系已经形成了,现在新的 Hubble WFC3 仪器已经找到了很多 z > 8 的星系候选者 (Bouwens et al. 2010, Yan et al.2011),不过在作者写作的2007年,这还是个全新的领域,z > 7 的候选星系几乎还没有。

    连候选星系都没有,如何做光谱测红移?(一般是有了图像(不能准确认证红移),再做光谱认证精确的红移)更何况本文不是要找很亮的星系,是要找高红移,但比较暗的星系,更是难上加难。本文的精彩之处就在于提供了可能的办法,并且去试了一下,在今天仍然可以用来探测极高红移星系:gravitational lensing可以放大星系的亮度(跟放大镜差不多),所以我们找高红移星系就很依赖于gravitational lensing. (Wyithe et al. 2011 Nature) 更指出gravitational lensing 放大的星系将在未来更高红移(z &gt 10)星系的探测中发挥非常重要的作用。

    主要结果:

    这篇文章就是利用了9个 lensing clusters, 因为 galaxy cluster 的引力势很大,而且空间分布得尺度比较大,是最有可能充当前景质量(透镜),用来放大背景星系的。作者选用 J 波段巡天(~1.25 {\mu}m, 8<z<10 星系的 Lya 发射线落到这个波段, 探测的极限流量大概比当时普遍 z ~ 6 galaxy的巡天还要暗约1个星等。用这种简单却很有希望的办法,作者找到了6个候选星系。下面要做的是确认探测到的线是 Lya 而不是其他的线 (e.g. 如果探测到的是[OII] 3727\AA, 即使红移到 J-band 对应的红移不过是3左右,因为光谱J-band 巡天只探测到一根线,所以无法确认这根线到底是什么)。

    认证的方法是用星系图象的dropout方法。下图(非文章中的图)演示了一个 z~7 星系在各个波段的流量图,可以看出,这个星系不会出现在 V(~606nm), i(~775nm), z(~850nm) 三个波段中, 但会出现在 J 和 H 波段里。所以如果这几个星系是高红移星系,那么就不会在出现在V, i, z 和更蓝的band 中。用这种办法,作者从6个候选星系中选出了两个可能的高红移星系,并且声称这两个很可能就是红移 8-10 的星系。


    Lensing

    Fig.2: 挑选高红移星系的”dropout”技术的示意图。最上面为红移等于7的星系的谱能量分布模型,实线为考虑到了中性氢吸收后的分布;中间为HST几个常用波段的透过函数随波长变化的示意图;最下方为星系在不同波段的图象,其中前三个波段均没有探测。

    文章进而假设这两个星系就是真的 z = 8-10的星系,然后考虑到他们巡天的尺度,说这样的数密度支持很多很多暗的 z > 8 的恒星形成星系,进而可以得出星系提供足够多的UV光子去再电离中性氢,不过说到这儿就是扯淡了,因为:1. 这两个星系还不一定是真正的高红移星系; 2. 两个星系也很难给出统计上的结果 (cosmic variance),不过高红移的文章总要联系一下再电离才爽。(注意高红移星系的光度函数的暗端(faint end of luminosity function) 是极为重要的,因为大部分的UV光子都是暗星系提供的,虽然亮的星系可以提供很多UV photon, 但是亮的星系的数目太少了。所以确定暗端是对再电离光子数目才会提供非常强的限制,这也是下一代 JWST 非常重要的科学目标。)

    最后,文章也说了,如果此次用这种方法一个星系都不是,那么也可以对在电离说两句。一种可能的解释是当时的星系际介质(IGM)几乎是中性的,太多的中性氢导致Ly\alpha光子无法逃逸出来(注意:Lya光子恰好可以把 n=1 的基态氢原子激发到 n=2 ),另一种可能是光度函数的暗端并没有想象的那么多星系,那么这件事就比较严重,因为再电离的光子如果不是从星系中的恒星来,是从哪儿来呢? 类星体 (quasar) ? 没人知道。

    不过不管怎么说,这篇文章提供了一个找高红移星系十分有趣的方法(利用cluster lensing)。并且第一次实现,找到了两个非常可能的候选者,说明这种方法对于找非常高红移却非常暗的星系(此前连试都没人试过)是有效的,可以进一步去推进。

    延伸阅读:

  • 1. 引力透镜的Wikipedia词条:http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_lens
  • 2. Lya Emitter的Wikipedia词条:http://en.wikipedia.org/wiki/Lyman-alpha_emitter
  • 3. Lyman Break星系的Wikipedia词条:http://en.wikipedia.org/wiki/Lyman-break_galaxy
  • 4. Cosmic Variance的Wikipedia词条:http://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_variance
  • 5. 关于探测高红移星系的常用技术:http://firstgalaxies.org/the-first-galaxies
  • 6. Wyithe, Yan, Windhorst & Mao 2011 Nature: http://arxiv.org/abs/1101.2291
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    blog for Chinese astronomy and astrophysics students to share their interest, idea and experience.

    讨论

    5 thoughts on “[利用强引力透镜探测高红移Lya Emitter]

    1. 恭喜出台!

      文章不错。有几个建议,希望一起进步。
      1.我觉得这篇文章写不不错,这个格式可以当做模板,背景、文章介绍、主要结果,这几方面说清楚就可以。有些文章在讨论一下算法就足够了。
      2.建议设置wordpress后台的feed(在setting的reading里)为full text模式,方便订阅者直接阅读全文。

      最后表示一下感谢,近期我也写点。

      Posted by hippoh | 四月 15, 2011, 12:47 上午
    2. 注册新用户测试回复审核系统.

      Posted by sillywolf | 四月 14, 2011, 6:02 上午
    3. 自己坐第一个沙发,测试一下回复系统

      Posted by Song Huang | 四月 14, 2011, 5:48 上午

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