Chronicling the Reionization History at 6 ≲ z ≲ 7 with Emergent Quasar Damping Wings

Abstract

Abstract The spectra of high-redshift ( z ≳ 6) quasars contain valuable information on the progression of the Epoch of Reionization. At redshifts z &lt; 6, the observed Lyman-series forest shows that the intergalactic medium is nearly ionized, while at z &gt; 7 the observed quasar damping wings indicate high neutral gas fractions. However, there remains a gap in neutral gas fraction constraints at 6 ≲ z ≲ 7 where the Lyman-series forest becomes saturated but damping wings have yet to fully emerge. In this work, we use a sample of 18 quasar spectra at redshifts 6.0 &lt; z &lt; 7.1 to close this gap. We apply neural networks to reconstruct the quasars’ continuum emission around the partially absorbed Ly α line to normalize their spectra, and stack these continuum-normalized spectra in three redshift bins. To increase the robustness of our results, we compare the stacks to a grid of models from two hydrodynamical simulations, ATON and CROC, and we measure the volume-averaged neutral gas fraction, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>HI</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> , while jointly fitting for the mean quasar lifetime, t Q , for each stacked spectrum. We chronicle the evolution of neutral gas fraction using the ATON (CROC) models as follows: <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>HI</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>0.21</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.07</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.17</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mover accent="true"> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mover> <mml:mi>HI</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mn>0.10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>&lt;</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.73</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> ) at 〈 z 〉 = 6.10, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>HI</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>0.21</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.07</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.33</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>HI</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>0.57</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.47</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.26</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> ) at 〈 z 〉 = 6.46, and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mover accent="true"> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>HI</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>0.37</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.17</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.17</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> ( <mml:math x

Topics & Concepts