[論文レビュー] Lyman Break Galaxies at z>4 and the Evolution of the UV Luminosity Density at High Redshift

Charles C. Steidel, Kurt L. Adelberger+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 1998

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 58被引用数 945

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 z > 4 のリーマンブレーク銀河（LBG）を地上望遠鏡を用いて調査し、光度的選別と分光的赤方偏移を用いて、z ~ 3 の場合と比較して紫外線（UV）光度関数を評価した。z ~ 4 から z ~ 3 にかけてのUV光度密度に顕著な低下は認められず、宇宙ほどの星形成発光量が、ほどの星形成活動の急激なピークがあるという概念に反する、ほどの星形成発光量がほぼ一定である可能性を示唆している。

ABSTRACT

We present initial results of a survey for star-forming galaxies in the redshift range 3.8 < z < 4.5. This sample consists of a photometric catalog of 244 galaxies culled from a total solid angle of 0.23 square degrees to an apparent magnitude of I_{AB}=25.0. Spectroscopic redshifts in the range 3.61 < z < 4.81 have been obtained for 48 of these galaxies; their median redshift is <z>=4.13. Selecting these galaxies in a manner entirely analogous to our large survey for Lyman break galaxies at smaller redshift (2.7 < z < 3.4) allows a relatively clean differential comparison between the populations and integrated luminosity density at these two cosmic epochs. Over the same range of UV luminosity, the spectroscopic properties of the galaxy samples at z~4 and z~3 are indistinguishable, as are the luminosity function shapes and the total integrated UV luminosity densities (rho_{UV}(z=3)/rho_{UV}(z=4) = 1.1 +/-0.3). We see no evidence at these bright magnitudes for the steep decline in the star formation density inferred from fainter photometric Lyman-break galaxies in the Hubble Deep Field (HDF). If the true luminosity density at z~4 is somewhat higher than implied by the HDF, as our ground-based sample suggests, then the emissivity of star formation as a function of redshift is essentially constant for all z>1 once internally consistent corrections for dust are made. This suggests that there is no obvious peak in star formation activity, and that the onset of substantial star formation in galaxies occurs at z > 4.5. [abridged abstract]

研究の動機と目的

• リーマンブレーク銀河の大型で分光的に確認されたサンプルを用いて、z ~ 4 におけるUV光度密度を測定すること。
• ハッブル・ディープフィールド（HDF）でz ~ 4 において推定されるUV光度密度の低下が、実際のものかどうか、あるいはサンプルばらつきによるものかを検証すること。
• z ~ 4 と z ~ 3 におけるリーマンブレーク銀河の光度関数および分光的性質を、同一の選別基準を用いて直接比較し、差分分析を行うこと。
• 分光的制約を用いて、z > 4 のLBGの色選別基準を改善し、汚染を最小限に抑えつつ完全性を最大化すること。

提案手法

• 0.23平方度の領域にわたって、IAB、B、V、Rバンドの広帯域フィルターを用いて、IAB = 25.0までのが光度的選別によりリーマンブレーク銀河候補を抽出した。
• ケック10m望遠鏡の低分解能画像分光計（LRIS）を用いて、48個の銀河について分光的赤方偏移を確認した。
• 同一の選別基準を用いて、z ~ 4（⟨z⟩ = 4.13）と z ~ 3（⟨z⟩ = 3.04）のサンプル間で、光度関数およびUV光度密度を直接比較した。
• HDFデータを再分析し、有効な調査体積およびスペクトルエネルギー分布のより良い推定値を用いて、明るさの下端勾配とサンプルばらつきを評価した。
• ダスト減光（平均して1500 Åで1.6 mag）と光度測定誤差を組み込んだLGBの色分布のモデル化により、選別関数を精緻化した。
• 同一のダスト補正を用いて、赤方偏移間で星形成発光量を比較した。この際、ダスト効果が一様であると仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HDFの光度赤方偏移推定値が示唆するように、z ~ 4 におけるUV光度密度は z ~ 3 より顕著に低いのだろうか？
• RQ2 HDFにおけるz ~ 4 リーマンブレーク銀河の欠落は、本質的進化の結果であるのか、それともサンプルばらつきに起因するのか、どの程度の影響を受けるのか？
• RQ3 z ~ 4 のLBGとz ~ 3 のLBGの分光的性質（例：Lyαが吸収・発光のどちらにあるか）および光度関数は、どのように比較できるのか？
• RQ4 ダスト減光が観測されたUV光度密度に与える影響は何か？ これは星形成史の推定にどのように影響するのか？
• RQ5 z ~ 4 における光度関数は、z ~ 3 よりも急な下端勾配を示すのか、それとも観測バイアスによる差異なのか？

主な発見

• z ~ 4（⟨z⟩ = 4.13）におけるUV光度密度は、z ~ 3（⟨z⟩ = 3.04）と一致しており、ρUV(z=3)/ρUV(z=4) = 1.1 ± 0.3 の比を示しており、顕著な低下はないことが示された。
• z ~ 4 と z ~ 3 のLBGの分光的性質は、ほぼ同一であり、約50％の対象でLyαが吸収線を示し、同様の静止系UV色を示していた。
• z ~ 3 の光度関数の下端勾配は急で（α = −1.60 ± 0.13）、以前の推定値よりも急であり、光度密度の大部分がHDFの検出限界以下にある可能性を示唆している。
• HDFにおけるサンプルばらつきは、z ~ 4 のLBGの欠落を説明するに十分な大きさであり、観測された差は統計的に有意でない。
• 平均して1500 Åで約1.6 magの一致したダスト補正を適用した後も、z > 1 において単位共動体積あたりの星形成発光量はほぼ平坦のままであり、星形成活動に明確なピークがないことを示唆している。
• z ~ 4 と z ~ 3 における光度関数の類似性は、星形成の進化と明るいAGN空間密度の進化に根本的な違いがあることを示唆している。