[論文レビュー] Low-luminosity galaxies in the early universe have observed sizes similar to star cluster complexes

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 159被引用数 34

ひとこと要約

本研究では、ハッブル・フロンティア・フィールズのデータを用いて、z ≈ 6–8 のレンズ効果を受けていた低輝度銀河を分析し、それらのサイズと輝度を近くの星団複合体と比較した。最も小さい、最も明るさの弱い高赤方偏移銀河は、10–50 pc のサイズと、30 Doradus などの巨大星団複合体と同等の紫外線等級を示しており、それらが原始球状星団を宿している可能性を示唆している。これらの結果は、形成モデルを制限し、形成後質量損失が高い（ξ = 10）ようなシナリオを除外する。今後、宇宙初期に本格的な球状星団形成が観測可能になる段階に近づいている可能性がある。

ABSTRACT

We compare the sizes and luminosities of faint $z=6$-8 galaxies magnified by the Hubble Frontier Fields (HFF) clusters with star-forming regions, as well as more evolved objects, in the nearby universe. Our high-redshift comparison sample includes 333 z=6-8 galaxies, for which size measurements were made as part of a companion study where lensing magnifications were estimated from various public models. Accurate size measurements for these sources are complicated by the lens model uncertainties, but other results and arguments suggest that faint galaxies are small, as discussed in a companion study. The measured sizes for sources in our comparison sample range from <50 pc to ~500 pc. For many of the lowest luminosity sources, extremely small sizes are inferred, reaching individual sizes as small as 10-30 pc, with several sources in the 10-15 pc range with our conservative magnification limits. The sizes and luminosities are similar to those of single star cluster complexes like 30 Doradus in the lower-redshift universe and -- in a few cases -- super star clusters. The identification of these compact, faint star-forming sources in the z~6-8 universe also allows us to set upper limits on the proto-globular cluster LF at z~6. By comparisons of the counts and sizes with recent models, we rule out (with some caveats) proto-globular cluster formation scenarios favoring substantial (xi=10) post-formation mass loss and set useful upper limits on others. Our size results suggest we may be very close to discovering a bona-fide population of forming globular clusters at high redshift.

研究の動機と目的

• 明るさの弱い、レンズ効果を受けた z ≈ 6–8 の銀河のサイズと輝度を、星団複合体や原始球状星団といった近くの星像系と比較すること。
• 最も小さい、最も明るさの弱い高赤方偏移銀河が、原始球状星団または星団複合体である可能性を評価すること。
• 観測された数密度とサイズ分布を用いて、高赤方偏移における原始球状星団の輝度関数と形成モデルを制約すること。
• レンズ効果モデルの不確実性を考慮した場合のサイズ測定の妥当性を評価し、形成中の球状星団を同定する上での意味を検討すること。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡の深紫外画像と公表済みのパラメトリックレンズモデルを用いて、333個の z ≈ 6–8 の銀河のサイズと輝度を測定した。
• v3/v4 レンズモデルからの中央値線形拡大率と歪み補正（µ と S）を用い、観測された角度サイズを物理的サイズに変換した。
• 観測されたサイズと等級を、30 Doradus などの近くの星団複合体や、進化した系と比較し、類縁体を特定した。
• 明るさの弱い源の観測された数密度とサイズ分布を用いて、z ≈ 6 における原始球状星団の輝度関数の上限を導出した。
• E-MOSAICS、Boylan-Kolchin（2017）、Pozzetti et al.（2019）の理論モデルとの整合性を検証し、形成シナリオを制限した。
• レンズ効果モデルの不確実性を考慮し、保守的な拡大率制限（線形 µ ≤ 30、全µ ≤ 50）を適用した。これにより、最も明るさの弱い源のサイズ推定への影響を認識した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最も小さい、最も明るさの弱い z ≈ 6–8 の銀河は、30 Doradus のような近くの星団複合体と同等の物理的サイズと輝度を持つのか？
• RQ2 高赤方偏移銀河の観測されたサイズと輝度分布は、原始球状星団形成モデルで説明可能か？
• RQ3 明るさの弱いレンズ効果を受けていた銀河の観測された数とサイズは、高赤方偏移における原始球状星団の輝度関数にどのような制約を課えるか？
• RQ4 顕著な形成シナリオ、例えば形成後の大規模な質量損失（ξ = 10）を伴うものと、現在の観測と整合するか？
• RQ5 現在のハッブルデータに基づいて、宇宙初期に本格的な球状星団の形成が観測可能になる段階に近づいていると見なせるか？

主な発見

• 最も明るさの弱い z ≈ 6–8 の銀河は、10–30 pc の半光半径を示し、保守的な拡大率制限下では、10–15 pc の範囲に複数の源が存在する。
• これらの低輝度銀河のサイズと輝度は、半光半径が ∼100 pc の 30 Doradus などの近くの星団複合体と統計的に区別できない。
• サンプルの23個の源が中央値サイズ ≤40 pc にあり、3つはおそらく ≤20 pc に位置し、これらはスーパースタークラスターや原始球状星団のサイズ範囲に含まれる。
• コンパクトで明るさの弱い源の観測数は、E-MOSAICS モデルの予測と整合しており、HFF領域では −17.5 mag に約1.5個、−16.5 mag に約1個の原始球状星団が予想される。
• 高形成後質量損失（ξ = 10）を伴う原始球状星団形成モデルは、観測されたよりもはるかに多くの検出可能な源を生じるため、観測結果と矛盾する。
• データは、宇宙初期に本格的な球状星団の形成が近づいている可能性を示唆しており、一部の候補はすでに −15 mag 未満の明るさで検出されており、モデルが予測する輝度範囲内にある。