[論文レビュー] Constraints on the First Galaxies: z~10 Galaxy Candidates from HST WFC3/IR

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、HUDF09調査から得られた2年間分のハッブルWFC3/IRデータを用いて、z ~ 10の銀河候補を探索した。その結果、1つの候補を特定したが、星形成率密度はz ~ 8の約10%にとどまり、ビッグバン後の最初の5億年間に急速に銀河が形成されたことを示している。

ABSTRACT

Searches for very-high-redshift galaxies over the past decade have yielded a large sample of more than 6,000 galaxies existing just 900-2,000 million years (Myr) after the Big Bang (redshifts 6 > z > 3; ref. 1). The Hubble Ultra Deep Field (HUDF09) data have yielded the first reliable detections of z ~ 8 galaxies that, together with reports of a gamma-ray burst at z ~ 8.2 (refs 10, 11), constitute the earliest objects reliably reported to date. Observations of z ~ 7-8 galaxies suggest substantial star formation at z > 9-10. Here we use the full two-year HUDF09 data to conduct an ultra-deep search for z ~ 10 galaxies in the heart of the reionization epoch, only 500 Myr after the Big Bang. Not only do we find one possible z ~ 10 galaxy candidate, but we show that, regardless of source detections, the star formation rate density is much smaller (~10%) at this time than it is just ~200 Myr later at z ~ 8. This demonstrates how rapid galaxy build-up was at z ~ 10, as galaxies increased in both luminosity density and volume density from z ~ 8 to z ~ 10. The 100-200 Myr before z ~ 10 is clearly a crucial phase in the assembly of the earliest galaxies.

研究の動機と目的

• 再電離時代におけるz ~ 10の銀河候補の特定とその性質の制限を、深宇宙望遠鏡観測を用いて行う。
• z ~ 10における星形成率密度を測定し、z ~ 8との比較を通じて初期銀河形成の進行速度を理解する。
• ビッグバン直後の重要な期間、特にz ~ 10からz ~ 8の間における銀河形成の進化段階を調査する。
• z ~ 10における観測された星形成が、初期銀河形成および再電離のモデルと整合しているかどうかを評価する。

提案手法

• WFC3/IR機器を用いて取得された、2年間分のハッブル超深宇宙フィールド2009（HUDF09）データセットを活用し、超深宇宙近赤外サーベイを実施した。
• 赤方偏移したSEDを基に、特にライマンブレイク法を用いて高赤方偏移銀河候補を特定するための深宇宙的光度分析を実施した。
• 未検出の源をスタッキングし、既知のz ~ 8の測定値と比較することで、z ~ 10における星形成率密度を定量化した。
• 検出がなかったと仮定した場合の星形成率密度の上限を推定するために統計的モデリングを用いた。
• z ~ 10における星形成率密度をz ~ 8と比較し、銀河進化の速度を推定した。
• 光度および体積密度の推定を用いて、z ~ 10からz ~ 8にかけての銀河集団の増加を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ~ 10における星形成率密度はどの程度で、z ~ 8との比較ではどうなるか？
• RQ2 HUDF09の超深宇宙近赤外データに検出可能なz ~ 10の銀河候補は存在するか？
• RQ3 z ~ 10からz ~ 8の間で、銀河の光度および体積密度はどの程度速やかに増加したか？
• RQ4 非検出の結果が、z ~ 10における初期星形成歴にどのような制限を課すか？
• RQ5 観測された進化の傾向は、再電離時代における銀河形成のタイムラインにどのように影響を与えるか？

主な発見

• HUDF09データから1つのz ~ 10の銀河候補が特定されたが、その確認はまだ不確かである。
• z ~ 10における星形成率密度は、z ~ 8の約10%にとどまると推定され、この時代における星形成活動の著しい減少を示している。
• 星形成率密度が低くても、z ~ 10における銀河集団は、光度および体積密度の両面でz ~ 8と比較して急速に増加している。
• z ~ 10より前の100〜200Myrの間は、最初の銀河が形成されるにあたり極めて重要な段階であると特定された。
• データから、ビッグバン後の最初の5億年間に銀河の構築が極めて速やかに進行しており、z ~ 10からz ~ 8の間に数と明るさの両方で著しい増加が見られた。
• 強い検出が得られなかったことから、初期の銀河は明るさが弱いか、またはz ~ 10で星形成効率が低かった可能性がある。