[論文レビュー] Life beyond 30: probing the -20

Pablo G. Pérez‐González, Luca Costantin+42 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、MIRI Deep Surveyの並列領域からの40時間にわたる深紫外赤外カメラ（NIRCam）観測を用いて、8 < z < 13の赤方偏移領域における紫外線輝度関数および宇宙的星形成率密度を提示する。44個のz > 8銀河候補を同定し、輝度関数にやや弱い進化が見られることを明らかにした。これは、明るさの下端勾配α = −2.2 ± 0.1およびM* = −20.8 ± 0.2 magであり、時間経過に伴う星形成の緩やかな増加を示している。

ABSTRACT

We present the ultraviolet luminosity function and an estimate of the cosmic star formation rate density at $88$ galaxy candidates based on their dropout nature in the F115W and/or F150W filters, a high probability for their photometric redshifts, estimated with three different codes, being at $z&gt;8$, good fits based on $χ^2$ calculations, and predominant solutions compared to $z&lt;8$ alternatives. We find mild evolution in the luminosity function from $z\sim13$ to $z\sim8$, i.e., only a small increase in the average number density of $\sim$0.2 dex, while the faint-end slope and absolute magnitude of the knee remain approximately constant, with values $α=-2.2\pm0.1$ and $M^*=-20.8\pm0.2$ mag. Comparing our results with the predictions of state-of-the-art galaxy evolution models, we find two main results: (1) a slower increase with time in the cosmic star formation rate density compared to a steeper rise predicted by models; (2) nearly a factor of 10 higher star formation activity concentrated in scales around 2 kpc in galaxies with stellar masses $\sim10^8$ M$_\odot$ during the first 350 Myr of the Universe, $z\sim12$, with models matching better the luminosity density observational estimations $\sim$150 Myr later, by $z\sim9$.

研究の動機と目的

• 深紫外赤外カメラ画像を用いて、赤方偏移範囲8 < z < 13における紫外線輝度関数を測定すること。
• 観測された銀河数の統計から、高赤方偏移（8 < z < 13）における宇宙的星形成率密度を推定すること。
• 多フィルタードロップアウト選別法および光度赤方偏移を用いて、高赤方偏移銀河候補（z > 8）の特定と検証を行うこと。
• 観測された輝度関数および星形成率密度を、最新の銀河進化モデルと比較すること。
• 宇宙時間に伴う輝度関数の下端勾配および特徴的絶対等級の進化を評価すること

提案手法

• F115W、F150W、F277Wフィルタを用いた40時間にわたる深紫外赤外カメラ観測を実施し、F277Wの5σ深度が30.8に達した。
• F115Wおよび/またはF150Wフィルタにおけるドロップアウト選別法を用いてz > 8銀河候補を同定し、3つの独立したコードによる一貫性のある光度赤方偏移を要件とした。
• χ²最小化法を用いてモデル適合度を評価し、z > 8の解がz < 8の代替解よりも確率的に優勢であると判断した。
• 絶対等級M_UVのビンごとの銀河の観測数密度を用いて、紫外線輝度関数を構築した。
• 標準換算係数を用いて、輝度関数から宇宙的星形成率密度を推定した。
• 最新の銀河進化モデルの予測と照らし合わせ、観測結果との整合性を評価した

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ~ 13からz ~ 8にかけて紫外線輝度関数はどのように進化するのか。特に下端勾配と特徴的絶対等級の観点から。
• RQ2 8 < z < 13における宇宙的星形成率密度は何か。また、モデル予測と比較するとどうなるか。
• RQ3 観測された銀河数および赤方偏移分布は、現在の銀河進化モデルとどの程度整合しているか。
• RQ4 高赤方偏移候補の光度赤方偏移推定値はどの程度安定しているか。z > 8分類の信頼性はどの程度か。
• RQ5 この赤方偏移範囲において、輝度関数の下端勾配αや特徴的絶対等級M*に顕著な進化は見られるか

主な発見

• 紫外線輝度関数はz ~ 13からz ~ 8にかけてやや弱い進化を示し、平均的な数密度が0.2 dex増加した。
• 下端勾配はα = −2.2 ± 0.1で一定であり、明るさの小さい銀河の相対的な数に顕著な変化はないことが示された。
• 特徴的絶対等級M*は−20.8 ± 0.2 magであり、赤方偏移範囲8 < z < 13にわたり一貫していた。
• 宇宙的星形成率密度は、現在の銀河進化モデルの予測よりも時間経過に伴う増加が遅い。
• 観測された輝度関数は、星形成率密度の時間的進化が遅いモデルと最もよく一致した。
• 44個の信頼性の高いz > 8銀河候補が含まれており、複数の独立したコードによる光度赤方偏移の確認と、χ²ベースのモデル適合による裏付けがなされた。