A Short Mean Free Path at z = 6 Favors Late and Rapid Reionization by Faint Galaxies

Abstract

Abstract Recent measurements of the ionizing photon mean free path ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>λ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>912</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>mfp</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> ) at 5 &lt; z &lt; 6 suggest that the IGM was rapidly evolving at those times. We use radiative transfer simulations to explore the implications for reionization, with a focus on the short value of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>λ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>912</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>mfp</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>3.57</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>2.14</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>3.09</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> cMpc h −1 at z = 6. We introduce a model for subresolution ionizing photon sinks based on radiative hydrodynamics simulations of small-scale IGM clumping. We argue that the rapid evolution in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>λ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>912</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>mfp</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> at z = 5 − 6, together with constraints on the metagalactic ionizing background, favors a late reionization process in which the neutral fraction evolved rapidly in the latter half. We also argue that the short <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>λ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>912</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>mfp</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:mi>z</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>6</mml:mn> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> </mml:math> points to faint galaxies as the primary drivers of reionizaton. Our preferred model, with <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>λ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>912</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>mfp</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:mi>z</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>6</mml:mn> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>6.5</mml:mn> </mml:math> Mpc h −1 , has a midpoint of z = 7.1 and ends at z = 5.1. It requires three ionizing photons per H atom to complete reionization and a LyC photon production efficiency of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>log</mml:mi> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>f</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>esc</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>eff</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>ξ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>ion</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="true">/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">[</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>erg</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mi>Hz</mml:mi> <mml:mo stretchy="false">]</mml:mo> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>24.8</mml:mn> </mml:math> at z &gt; 6. Recovering <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>λ</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>912</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>mfp</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:mi>z</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>6</mml:mn> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> </mml:math> as low as the measured central value may require an increase in IGM clumpiness beyond p

Topics & Concepts