[論文レビュー] A meta-analysis of cosmic star-formation history

David W. Hogg|arXiv (Cornell University)|May 16, 2001

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 6

ひとこと要約

このメタアナリシスは、赤方偏移 z=1 から現在までの宇宙的星形成率密度の多様な観測指標を統合し、紫外線、赤外線、電波、および線スペクトル測定において一貫した低下を確認した。ΛCDMモデルにおける最良の適合は (1+z)^{2.7±0.7} であり、これは大多数の星が60億年前より前に形成されたことを示唆し、星形成歴の低下は銀河進化分野で最も信頼できる結果である。

ABSTRACT

A meta-analysis is performed of the literature on evolution in cosmic star-formation rate density from redshift unity to the present day. The measurements are extremely diverse, including radio, infrared, and ultraviolet broad-band photometric indicators, and visible and near-ultraviolet line-emission indicators. Although there is large scatter among indicators at any given redshift, virtually all studies find a significant decrease from redshift unity to the present day. This is the most heterogeneously confirmed result in the study of galaxy evolution. When comoving star-formation rate density is treated as being proportional to $(1+z)^β$, the meta-analysis gives a best-fit exponent and conservative confidence interval of $β= 2.7\pm 0.7$ in a world model with $(Ω_M,Ω_Λ)=(0.3,0.7)$ and $β= 3.3\pm 0.8$ in $(Ω_M,Ω_Λ)=(1.0,0.0)$. In either case these evolutionary trends are strong enough that the bulk of the stellar mass at the present day ought to be in old ($>6 \mathrm{Gyr}$) populations.

研究の動機と目的

• 多様な観測手法における宇宙的星形成率密度測定値の整合性を評価すること。
• メタアナリティカルアプローチを用いて、z=1 から現在までの星形成率密度の進化を定量化すること。
• 赤方偏移の関数としての共動星形成率密度の最良適合べき乗則進化指数 β を特定すること。
• 観測された低下が、現在の宇宙における星族の年齢分布に与える影響を評価すること。
• 高赤方偏移観測とミルキーウェイの星形成歴との間にある顕著な不整合を解消すること。

提案手法

• z≈1 における共動星形成率密度を測定した26件の研究を対象にメタアナリシスを実施し、UV、IR、電波、および線スペクトルといった多様な指標を用いた。
• 標準的宇宙論モデル (h, ΩM, ΩΛ) = (0.7, 0.3, 0.7) に合わせて測定値を補正し、保守的な信頼区間を求めるために再サンプリングを用いた。
• 星形成率密度の進化を (1+z)^β に比例するとモデル化し、一貫性のある測定値すべてを重み付けして β を推定した。
• ほだれや初期質量関数、選択効果への感受性に差があるにもかかわらず、耐久性を検証するために、さまざまな指標を含めた。
• 活動銀河核の汚染や不一致したキャリブレーションの可能性がある研究は除外し、研究手法の責任を確保した。
• 物理的に異なる指標間で結果が一貫していることこそが信頼性の主要な指標とされ、普遍的な低下という結論を強化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された宇宙的星形成率密度の低下は、多様な観測指標および手法において一貫しているか？
• RQ2 z=1 から z=0 における共動星形成率密度の最良適合べき乗則進化指数 β は何か？
• RQ3 宇宙論的モデル（ΩM, ΩΛ）の選択が、β の推定値にどのように影響するか？
• RQ4 観測された低下は、大多数の星が60億年以上前に形成された古い（>6 Gyr）星族に集まっていることをどの程度示唆するか？
• RQ5 なぜ高赤方偏移観測と、局所的なミルキーウェイの年齢分布データには不一致が生じるのか？

主な発見

• メタアナリシスは、(ΩM, ΩΛ) = (0.3, 0.7) のΛCDM宇宙論において、共動星形成率密度の最良適合進化指数が β = 2.7 ± 0.7 であると示した。
• ΩM=1.0、ΩΛ=0.0 の物質支配宇宙では、最良適合の β は 3.3 ± 0.8 となり、あらゆるモデルにおいて強い低下が確認された。
• 低下は非常に強く、現在の宇宙における星の質量の大部分は60億年以上前に形成された星族に属している必要がある。
• 紫外線、赤外線、電波、線スペクトル指標間で結果が一貫しているにもかかわらず、ほだれや初期質量関数への感受性に差があるにもかかわらず、この低下は銀河進化分野で最も信頼できる結果である。
• 観測された進化は定常宇宙を排除する。デフォルトモデルでは β > 1.3 であり、対数時間間隔ごとの星形成率の純減少を示唆している。
• 高赤方偏移観測と局所的なミルキーウェイの年齢分布データとの不一致は、非一様な星形成歴、または太陽系近辺のサンプリングが代表的でない可能性を示唆している。