[論文レビュー] GALAXIES AT Z 6: THE REST-FRAME UV LUMINOSITY FUNCTION AND LUMINOSITY DENSITY FROM 506 UDF, UDF-PS, AND GOODS I-DROPOUTS

M. Franx|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2005

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、HUDF、GOODS、UDF-Parallel領域の深いハッブル宇宙望遠鏡データを用いて、z ≈ 6における506個のi-dropout銀河について、初めて包括的な分析を実施した。Schechterパラメータを用いた頑健な復元フレームUV発光関数を導出し、M∗ = 20.20 ± 0.35、φ∗ = 1.76⁺¹.¹⁶₋₀.⁷¹ × 10⁻³ Mpc⁻³、α = 1.74 ± 0.24を得た。z ≈ 3からの顕著な進化が示され、M∗は0.7 ± 0.4 mag明るくなった。z ≈ 6における発光密度はz ≈ 3の68%にとどまり、星形成率が低く、宇宙再電離に強い示唆をもたらす。

ABSTRACT

A very large sample of 506 i-dropouts (z � 6 galaxies) have been obtained from all the deep, wide- area HST ACS fields: HUDF, GOODS (enhanced by the extensive SNe search data - to be the v2.0 GOODS release), and UDF-Parallel ACS fields (UDF-Ps). With our selection criteria, we show that the contamination levels are . 8% (i.e., & 92% or � 465 are at z � 6). This is the first comprehensive quantitative analysis of such a large sample at z � 6, only 0.9 Gyr from recombination, and is used to establish optimal measures of both the luminosity function and the luminosity density at z � 6, and their evolution relative to the z � 3 dropouts. A total of 122 i-dropouts ((i775 z850)AB > 1.3, (V606 z850)AB > 2.8) are detected in the HUDF to z850,AB � 29.5 (the 8� limit). Fits to the optical- infrared (ACS/NICMOS) colors of the HUDF dropout galaxies give mean UV slopes of � = 1.8. This is bluer than the dropout population at z � 3, suggesting lower dust content at z � 6. The sizes of the i-dropouts in our samples are small, with anL ∗ galaxy having rhl � 0.8 kpc or � 0.14 '' . There is clear size evolution, with a redshift dependence between z � 6 and z � 2.5 of (1+z) −1.1±0.3 for fixed luminosity. Significant differences were found in the surface density of i-dropouts between the fields, as expected from cosmic variance. Great care was taken to normalize out these differences. Completeness, flux, and contamination corrections are performed in a very systematic and quantitative way for the three data sets. After establishing and performing these corrections, we combine the data to derive a rest-frame continuum UV (� 1350u) luminosity function at z � 6. The best-fit Schechter parameters are M ∗ 1350,AB = 20.20±0.35, � = 1.74±0.24, and � ∗ = 1.76 +1.16 −0.71 ×10 −3 Mpc −3 . This luminosity function extends to M1350,AB � 17.5 (0.04 L ∗=3 ), the faintest limit yet reached for galaxies at high redshifts z > 2. We find strong evidence for evolution of the luminosity function between z � 6 and z � 3. The most likely way of accommodating this evolution is through a brightening (0.7 ± 0.4 mag) of M ∗ (at 82% confidence) though less brightening is required if the faint-end slopechanges to � � 1.9 (from 1.6 at z � 3). Scenarios, such as density evolution (� ∗ ), which do not include this evolution in M ∗ orare ruled out at 99.9999% confidence - demonstrating quite significantly that galaxies at z � 6 are lower in luminosity than galaxies at z � 3. Integrated down to 0.04L ∗=3, the rest-frame continuum UV luminosity density (unextincted star formation rate) at z � 6 is a very well-determined 1.46±0.14×10 26 ergs/s/Hz/Mpc 3 . Recent determinations of the luminosity density at z � 6 have shown large variations - we identify some of the causes and find that other results are consistent when appropriately corrected. The substantial evolution in the luminosity function is not accompanied by a large change in the luminosity density. The luminosity density at z � 6 (to 0.04L ∗=3 ) is 0.68 ± 0.08× that at z � 3. Accounting for the suggested evolution in dust content over this range indicates that the true evolution is substantially larger than for the unextincted star formation rate, so that the total star formation rate density at z � 6 is just � 0.3× the z � 3 value. Despite large uncertainties in the escape fraction and other assumed quantities, our best-fit UV luminosity function is consistent with z � 6 galaxies providing the necessary UV flux to reionize the universe. Lower luminosity galaxies, in particular, appear to be important for this process. Subject headings: galaxies: evolution — galaxies: high-redshift

研究の動機と目的

• z ≈ 6における復元フレームUV発光関数と発光密度を、高い統計的有意性で測定すること。
• 深いHST領域におけるi-dropout選別における汚染と完全性を定量化すること。
• 高赤方偏移銀河におけるサイズの進化とUV傾きの傾向を評価すること。
• z ≈ 3と比較して、z ≈ 6の銀河が宇宙再電離に果たす役割を、発光関数と星形成率の観点から評価すること。

提案手法

• HUDF、GOODS、UDF-Parallel領域の多波長ACSおよびNICMOSデータを用いて、506個のi-dropout銀河を同定した。
• 汚染を最小限に抑えてz ≈ 6の忠実度を最大化するため、厳密な色と等級選別基準（i775−z850 > 1.3、V606−z850 > 2.8）を適用した。汚染率は8%未満であった。
• 3つの独立したデータセット全体にわたって、完全性、フラックス、汚染の補正を体系的に行い、信頼性の高い統合を可能にした。
• 観測された光学・赤外色をフィットして平均UV傾き（⟨β⟩ = −1.8）を導出し、低ダスト含有量を示した。
• Schechter関数を用いて復元フレームUV発光関数をフィットした：ϕ(L)dL = ϕ∗(L/L∗)α exp(−L/L∗)d(L/L∗)。M∗、α、φ∗を自由パラメータとした。
• 宇宙のばらつきを補正するため、フィールド間の差を正規化し、ダストおよび完全性補正後の発光密度を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 6における復元フレームUV発光関数は何か？ また、z ≈ 3の発光関数と比較するとどうなるか？
• RQ2 z ≈ 6の銀河の発光とサイズは、z ≈ 3と比較してどの程度進化しているか？
• RQ3 z ≈ 6の銀河は、全UV発光密度および銀河間媒体の再電離にどの程度貢献しているか？
• RQ4 z ≈ 6の銀河におけるダスト含有量とUV傾きは、z ≈ 3のものと比較してどう異なるか？ これはダスト減光と星形成率にどのような示唆をもたらすか？
• RQ5 z ≈ 6で観測された発光関数は、宇宙の再電離に必要なUVフラックスを十分に供給できるか？

主な発見

• z ≈ 6における復元フレームUV発光関数は、SchechterパラメータM∗ = 20.20 ± 0.35、α = 1.74 ± 0.24、φ∗ = 1.76⁺¹.¹⁶₋₀.⁷¹ × 10⁻³ Mpc⁻³で最もよくフィットした。
• 発光関数はM1350,AB ≈ 17.5（0.04 L∗=3）まで延びており、z > 2の銀河で達成された最も明るい限界である。
• M∗がz ≈ 3からz ≈ 6にかけて0.7 ± 0.4 mag明るくなったという、発光関数の進化の強い証拠がある（82%の信頼水準）。
• z ≈ 6における発光密度（0.04L∗=3まで）は1.46 ± 0.14 × 10²⁶ erg/s/Hz/Mpc³、z ≈ 3の値の68% ± 8%にとどまる。
• ダスト進化を補正した後、z ≈ 6における発光密度はz ≈ 3の値の約30%にまで低下し、星形成率密度の顕著な低下を示唆している。
• 最良のフィットUV発光関数は、z ≈ 6の銀河が宇宙の再電離に必要なUVフラックスを十分に供給できることを示しており、特に明るさの低い銀河が含まれる場合に顕著である。