光線追跡計算によるClumpy銀河からの電離光⼦脱出率の⾒積もり

⾓⽥
共同研究者

匠(名古屋⼤学)

⻑⾕川 賢⼆(名古屋⼤学), 柏野 ⼤地(ETH Zurich)電離光⼦脱出率 (§)

は銀河がどれくらい再電離に寄与したのかを知る上で重要なパラメータである。

§ 今⽇までの観測やシミュレーションから電離光⼦脱出率は多様な値を⽰すことが知られている。

(Yajima et al. 2011)§ 何が fesc にどれくらいの影響を与えているのかはよくわかっていない

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電離光⼦脱出率 (§)

は銀河がどれくらい再電離に寄与したのかを知る上で重要なパラメータである。

§ 今⽇までの観測やシミュレーションから電離光⼦脱出率は多様な値を⽰すことが知られている。

(Yajima et al. 2011)§ 何が fesc にどれくらいの影響を与えているのかはよくわかっていない
単純化した銀河モデルを仮定して、銀河の内部構造がfesc に与える影響を調べた

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§ 単位時間あたりの銀河内部で⽣成される全電離光⼦数は3つのパラメータによって⾒積もる。

: 1つの星が単位時間あたりに放射する電離光⼦数(Schaerer 2002): 円盤の質量に対する星質量が占める割合: Salpeter IMF§ ガスの数密度プロファイル:scale radius:scale height
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§ Clump• ⾼密度なガスの塊(clump)について考える
Clump の性質
銀河内部にあるclumpの総数
Clumpの直径
Clump内の数密度•

Clumpを銀河内部にランダムに配置する

clump銀河4/11

§ Clump• ⾼密度なガスの塊(clump)について考える
Clump の性質
銀河内部にあるclumpの総数
Clumpの直径
Clump内の数密度

仮定•

Clumpを銀河内部にランダムに配置する•

銀河内部のどこにいても clump 内の数密度は⼀定とする。

•銀河の総質量は固定する。

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§ Clump• ⾼密度なガスの塊(clump)について考える
Clump の性質

smooth distribution

銀河内部にあるclumpの総数clumpy distribution
Clumpの直径Clump内の数密度

仮定•

Clumpを銀河内部にランダムに配置する•

銀河内部のどこにいても clump 内の数密度は⼀定とする。

•銀河の総質量は固定する。

ガスの数密度プロファイル (smooth distribution)
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§ 電離光⼦脱出率の⾒積もり
レイトレーシング法を⽤いて、電離平衡の計算を⾏う: 単位時間あたりに電離光⼦源から放射される電離光⼦数: ストレムグレン半径仮定•: 電離光⼦源からの距離

電離光⼦源は星団とする。

• 電離光⼦源は銀河⾯上に分布している。
• どの電離光⼦源も単位時間あたりに放射する電離光⼦数は同じとする
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§ 電離光⼦脱出率の⾒積もり
レイトレーシング法を⽤いて、電離平衡の計算を⾏う: 単位時間あたりに電離光⼦源から放射される電離光⼦数: ストレムグレン半径において、が銀河より⼤きい幾らかの電離光⼦が銀河から脱出している銀河から脱出する電離光⼦数
銀河内で⽣産される電離光⼦数5/11

電離光⼦源の数と電離光⼦脱出率の関係§ no clumps の場合

銀河の質量に対する星質量の割合
ハローの質量
仮定

fesc





銀河内部で⽣成される
全電離光⼦数は全ての計算で同じ


電離光⼦源の数を増やすと1つの電離光⼦源が放射する
電離光⼦数は⼩さくなる















1つの電離光⼦源が放射する電離光⼦数

⼩Number of ionizing sources

電離光⼦源の総数
⼤結果§ 電離光⼦源が少ないと電離光⼦脱出率の多様性が多きくなる§ 電離光⼦源の数が増えるにつれて電離光⼦脱出率は下がる傾向にある
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§ no clumps の場合

ハローの質量と電離光⼦脱出率の関係
仮定



1つの電離光⼦源が放射する電離光⼦数は⼀定とする
()

fesc

銀河の質量に対する星質量の割合





結果

halo mass
ハローの質量

ハローの質量が増加すると scale height や scale radiusが⼤きくなる
電離光⼦脱出率は下がる
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clumpの総質量⽐と電離光⼦脱出率の関係§ Clump がある場合

パラメータfesc----- 定数 ----ハローの質量 :Stellar Mass Fraction
f*=0.1
f*=0.2f*=0.3
f*=0.5

Clumpの直径 :clump内のガスの数密度:----- 変数 -----

 
10-3-2

10Mass Rate-1

10Clumpの総質量 / 銀河質量010星質量の割合 :Clumpの総数 :Clumpの質量
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clumpの総質量⽐と電離光⼦脱出率の関係§ Clump がある場合

パラメータfesc----- 定数 ----ハローの質量 :Stellar Mass Fraction
f*=0.1
f*=0.2f*=0.3
f*=0.5

Clumpの直径 :clump内のガスの数密度:----- 変数 -----星質量の割合 :Clumpの総数 : 
10-3-2

10Mass Rate-1

10

Clumpの総質量 / 銀河質量010§ Clumpでない領域の数密度は低いので電離光⼦が脱出しやすくなる

Clumpの質量
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clumpの総質量⽐と電離光⼦脱出率の関係§ Clump がある場合

パラメータfesc----- 定数 ----ハローの質量 :Stellar Mass Fraction
f*=0.1
f*=0.2f*=0.3
f*=0.5§ もともとガスの数密度が低い場合、
Clumpの直径 : ガスが集まること(clumpができること)
によって、再結合率が上がり電離光⼦脱出率が低くなる -3-2
clump内のガスの数密度:----- 変数 -----星質量の割合 :Clumpの総数 :1010

Mass Rate-110Clumpの総質量 / 銀河質量010§ Clumpでない領域の数密度は低いので電離光⼦が脱出しやすくなる

Clumpの質量
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clumpの総質量⽐と電離光⼦脱出率の関係§ Clump がある場合

パラメータ

fesc----- 定数 ----ハローの質量 :Stellar Mass Fraction
f*=0.1
f*=0.2f*=0.3
f*=0.5

Clumpの直径 :clump内のガスの数密度:----- 変数 -----星質量の割合 :Clumpの総数 :Clumpの質量 10-3-2
10Mass Rate-1

10Clumpの総質量 / 銀河質量010§ 星質量の割合が増えるに従って電離光⼦脱出率は⾼くなる§ Clumpの総質量⽐が ~0.1 あたりから電離光⼦脱出率が変化し始める

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clumpの総質量⽐と電離光⼦脱出率の関係§ Clump がある場合



パラメータ
----- 定数 ----ハローの質量 :
fesc




clump内のガスの数密度:

Clumpの総数 :Covering factor
factorCovering星質量の割合 :----- 変数 ----Clumpの直径 :Rc=10pc
Rc=100pc 

10-3




Mass Rate





 010

-2
-11010
Clump mass fraction

Clumpの総質量 / 銀河質量Clumpの質量
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clumpの総質量⽐と電離光⼦脱出率の関係§ Clump がある場合



パラメータ
----- 定数 ----ハローの質量 :
fesc




clump内のガスの数密度:

Clumpの総数 :Clumpの質量

Covering factorfactor
Covering星質量の割合 :----- 変数 ----Clumpの直径 :Rc=10pc
Rc=100pc

 10-3

Mass Rate

 010

-2
-11010
Clump mass fraction

Clumpの総質量 / 銀河質量Clumpの直径が⼤きくなるにつれてclumpのcovering factorが⼩さくなる
Clumpを⼤きくすると電離光⼦脱出率は⾼くなる

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clumpの総質量⽐と電離光⼦脱出率の関係§ Clump がある場合



パラメータ
----- 定数 ----ハローの質量 :fesc

clump内のガスの数密度:

Clumpの総数 :Covering factor
factorCovering星質量の割合 :----- 変数 ----Clumpの直径 :Rc=10pc
Rc=100pc

 10-3

Mass Rate

 010

-2
-11010
Clump mass fraction

Clumpの総質量 / 銀河質量Clumpの直径が⼤きくなるにつれてclumpのcovering factorが⼩さくなる
シミュレーションの空間分解能によってClumpの質量電離光⼦脱出率が変わる

Clumpを⼤きくすると電離光⼦脱出率は⾼くなる

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§ Clump がある場合

clumpの総質量⽐と電離光⼦脱出率の関係


パラメータ

Halo Mass(Msun)
109
5×109
1010

----- 定数 -----星質量の割合 :fesc

Clumpの直径 :----- 変数 ----ハローの質量 :Clumpの総数 :Clumpの質量

Covering
Coveringfactor
factorclump内のガスの数密度: 
 10-3Mass Rate010
-2-11010
Clump mass fractionClumpの総質量 / 銀河質量

ハローの質量が増加するに従って電離光⼦脱出率は低くなる10/11

----- 結果 ----§ 電離光⼦脱出率は電離光⼦源の位置によって2桁ほど変化する§ Clumpを考慮した場合、その性質によって最⼤5倍ほど電離光⼦脱出率が⾼くなる----- 電離光⼦脱出率の多様性の起源 ----Clumpがない場合
Clumpがある場合

電離光⼦源の位置
Clumpの総質量 / 銀河質量
Clumpのcovering factor
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