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z=3的亮Lyman break星系中的低电离光子逃逸比例

标题: A low escape fraction of ionizing photons of L > L* Lyman break galaxies at z=3.3
作者: K. Boutsia, A. Grazian, E. Giallongo, A. Fontana, L. Pentericci, M. Castellano, G. Zamorani, M. Mignoli, E. Vanzella, F. Fiore, S. J. Lilly, S. Gallozzi, V. Testa, D. Paris, P. Santini
论文索引: astroph:1104.5237
编辑供稿: 蔡峥 ( University of Arizona )

背景介绍:


我们说星系际介质的随红移的演化,主要指的是电离状态(ionization state),而这个星系际介质的电离状态是由紫外背景(UV background)决定的(波长<91.2nm光子可以电离氢原子)。这个紫外背景是由星系和活动星系核(AGN)提供的。如果z<6的任何一个时期没有紫外背景,即使有再电离,也会再结合形成中性氢。高红移宇宙中(z>~6),一般认为Star forming galaxy可以提供足够多的光子去电离星系际介质中的中性氢(请见Astroleak试稿第10篇和樊晓辉2006年的再电离综述文章)。星系能否提供足够强的紫外背景的一个重要衡量参数就是电离光子的escape fraction. 这个参数是衡量到底有多少电离光子从星系的恒星际介质(ISM)里跑出来电离星系际介质(IGM)的。但是,我们对星系的escape fraction了解甚少。低红移处,由类星体和活动星系核提供的紫外背景光子很多,所以星系提供的紫外背景还不是特别重要,但是活动星系核和类星体(quasar)的数量随着在z>3以上急剧的减少,所以确定红移(z=2-4)的星系的escape fraction变得很重要。以前有一些z~2的观测大都表明escape fraction很少,支持星系并不是主要贡献的紫外背景源。本文的survey,关注点在于红移3-4的escape fraction.


fig1

Fig.1: Quasar数密度随时间(红移)的变化。

具体方法:  

通过一个well-studied的field,里面已经有光谱认证的z~3.3的11个LBG, 作者做了非常深的U、R两个波段的image观测(原因见下段)。仪器是LBC, 这是Large Binacular Telescope上面的一个Camara. 探测器由四个4K x 2K的chips做成,pixel scale=0.23 arcsec/pixel,提供一个23×23 arcmin^2的视场。


fig2

Fig.2. Large Binacular Telescope, 有两个8.4米的镜子组成有效半径11.2米的望远镜。

观测电离光子的escape fraction, 就是要观测跑到星系外面Lyman continuum (escaping Lyman continuum) 和本身由于星系star forming产生的总的 intrinsic Lyman continuum 的比例。其中,总的intrinsic Lyman continuum是要由精确的SED fitting确定。主要的原因是精确的SED fitting可以确定dust的值,而且可以得到理论的intrinsic U 波段和R 波段的流量比(BC03 model),通过实际观测到的U band流量,除以理论的U band流量,就可以得到escape fraction. 但有很重要的一点值得注意—改正IGM吸收,就是实际观测到的U 波段一部分是由ISM吸收的,还有一部分是被IGM吸收的。我们想探测的是从ISM跑出来的光子(比上intrinsic光子)。所以要改正被IGM吸收的光子数量,以便得到被IGM吸收前的光子数量(文章用SDSS z=3 quasar的统计结果,也就是用Lya forest计算平均被IGM吸收的流量,请看链接关于由Quasar 和IGM引起的Lya forest的介绍),经过改正IGM吸收的U band流量,除以理论上intrinsic的流量,就可以得到对于ionizing photon的escape fraction. 具体的公式可以见文章公式(1). 


fig2

Fig.3. 为escape fraction指得是光子逃到星系或星系所在的dark matter halo之外,所以要想知道到底有多少光子从星系中跑出来,必须知道有多少光子是被IGM吸收掉的,然后观测到的值要还原IGM吸收,得到的光子数才是实际从ISM中跑出来的,此图就是说明IGM对电离光子的吸收。黑线代表z=3.3处,红线是U band 的响应曲线。黑虚线是Madau的解析值,作为比较只用。彩色的线是IGM吸收的上限和下限。

主要结果: 

文章对于11个红移在z=3.3的Lyman break galaxy(LBG)进行了观测,得到escape fraction都比较小,小于(5%)。这表明在这个红移处,由LBG产生的光子并不主要贡献UV的background. 注意这也是目前得到的关于LBG escape fraction最强的限制。

延伸阅读: 

  • 1. 关于UV背景的介绍
  • 2. 樊晓辉2006年再电离文章
  • 3. Madau关于IGM的综述
  • 4. Martin White关于Lya forest的介绍
  • Advertisements

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