[論文レビュー] An Increasing Stellar Baryon Fraction in Bright Galaxies at High Redshift

Steven L. Finkelstein, Mimi Song+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、z=4からz=7にかけて宇宙の星形成密度が低下するにもかかわらず、明るい銀河の特徴的なUV光度が一定のままである理由を調査する。ハッブルおよびスパッツァーの深紫外・赤外データを用いて、星形成の星間物質割合（stelar baryon fraction）がz=4の5.1%からz=7の11.7%に増加することが判明し、高赤方偏移でフィードバック効率が低下していることを示唆する。これは単純な銀河成長モデルに反する。

ABSTRACT

Recent observations have shown that the characteristic luminosity of the rest-frame ultraviolet (UV) luminosity function does not significantly evolve at 4 < z < 7 and is approximately M*_UV ~ -21. We investigate this apparent non-evolution by examining a sample of 178 bright, M_UV < -21 galaxies at z=4 to 7, analyzing their stellar populations and host halo masses. Including deep Spitzer/IRAC imaging to constrain the rest-frame optical light, we find that M*_UV galaxies at z=4-7 have similar stellar masses of log(M/Msol)=9.6-9.9 and are thus relatively massive for these high redshifts. However, bright galaxies at z=4-7 are less massive and have younger inferred ages than similarly bright galaxies at z=2-3, even though the two populations have similar star formation rates and levels of dust attenuation. We match the abundances of these bright z=4-7 galaxies to halo mass functions from the Bolshoi Lambda-CDM simulation to estimate the halo masses. We find that the typical halo masses in ~M*_UV galaxies decrease from log(M_h/Msol)=11.9 at z=4 to log(M_h/Msol)=11.4 at z=7. Thus, although we are studying galaxies at a similar mass across multiple redshifts, these galaxies live in lower mass halos at higher redshift. The stellar baryon fraction in units of the cosmic mean Omega_b/Omega_m rises from 5.1% at z=4 to 11.7% at z=7; this evolution is significant at the ~3-sigma level. This rise does not agree with simple expectations of how galaxies grow, and implies that some effect, perhaps a diminishing efficiency of feedback, is allowing a higher fraction of available baryons to be converted into stars at high redshifts.

研究の動機と目的

• z=4からz=7の明るい銀河における特徴的なUV光度関数（M*UV）が進化しない物理的起源を調査すること。
• この赤方偏移範囲で星形成質量、星形成率、チルダー減光が一定であるかどうかを特定すること。
• ボルショイ ΛCDM シミュレーションと照合することで、ホストハロー質量を推定し、構造的進化を理解すること。
• 星形成の星間物質割合（SBF）を測定し、フィードバック効率を調べるために赤方偏移に伴う進化を評価すること。
• 観測された傾向が単純な銀河成長の予想と矛盾するかどうかを検証し、初期銀河形成における物理的意味を導き出すこと。

提案手法

• ハッブルWFC3/IR画像と深紫外スパッツァー/IRACデータを用い、z=4–7でMUV < -21の明るい銀河178個を選別し、静止系の光学光を制約する。
• 星形成シナプスモデルを用いてスペクトルエネルギー分布（SED）をフィットし、星形成質量、年齢、チルダー減光、星形成率を導出する。
• 観測された銀河の豊度とボルショイ ΛCDM ハロー質量関数との照合を適用し、ホストハロー質量（Mh）を推定する。
• 星形成の星間物質割合（SBF）を星形成質量とハロー質量の比として計算し、宇宙の星間物質対物質比（Ωb/Ωm）で正規化する。
• SBFの赤方偏移に伴う進化を統計的有意性検定（3.2σ）で評価する。
• 高赤方偏移銀河の進化軌道をローカルのSMG（サブミリ波長銀河）の星形成質量と比較し、将来の後継者を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=4からz=7にかけて宇宙の星形成率密度が低下するにもかかわらず、特徴的なUV光度（M*UV）がほぼ一定のままであるのはなぜか？
• RQ2 z=4–7の明るい銀河は、この赤方偏移範囲で同じ星形成質量、星形成率、チルダー特性を有しているか？
• RQ3 M*UV銀河のホストハロー質量は、赤方偏移の増加に伴ってどのように変化するか？
• RQ4 星形成の星間物質割合（SBF）は赤方偏移とともに増加するのか？ そしてこれは初期銀河におけるフィードバック効率に何を示唆するか？
• RQ5 観測された傾向は単純な銀河成長の期待と矛盾するのか？ その背後にある物理的メカニズムは何か？

主な発見

• z=4–7でMUV < -21の銀河は、赤方偏移にかかわらずほぼ一定の星形成質量（log(M*/M☉) = 9.6–9.9）を示す。
• 星形成率とチルダー減光がほぼ同じであるにもかかわらず、z=4–7の銀河はz=2–3の対応する銀河よりも若い。
• ホストハロー質量はz=4のlog(Mh/M☉) = 11.93からz=7のlog(Mh/M☉) = 11.35に減少し、高赤方偏移で徐々に質量の小さいハローに位置していることを示す。
• 星形成の星間物質割合（SBF）はz=4の5.1% ± 0.6%からz=7の11.7% ± 4.3%に増加し、3.2σの有意水準で有意な傾向を示す。
• 上昇するSBFは単純な銀河成長モデルに反しており、高赤方偏移でフィードバック効率が低下し、より多くの物質が星形成に利用可能であることを示唆する。
• z=6–7の銀河が星形成率を約50 M☉ yr⁻¹で維持すれば、z=2で巨大なSMGに進化する可能性があり、合体駆動のSMG形成シナリオと整合的である。