[論文レビュー] Star Formation at z~6: i-dropouts in the ACS GTO fields

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth+34 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2003

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用数 67

ひとこと要約

本研究では、深宇宙のハッブルACSおよび地上赤外線画像を用いて、z~6における23個のiドロップアウト銀河を特定し、rest-frame UVの輝度密度を $7.2 \pm 2.5 \times 10^{25}\ \text{ergs s}^{-1}\text{Hz}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$、星形成率密度を $0.0090 \pm 0.0031\ \text{M}_\odot\ \text{yr}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$ と推定した。これはz~3からz~6にかけてUV輝度が39%減少していることを示しており、宇宙再イオン化に十分な中程度の進化と整合的である。

ABSTRACT

Using an i-z dropout criterion, we determine the space density of z~6 galaxies from two deep ACS GTO fields with deep optical-IR imaging. A total of 23 objects are found over 46 arcmin^2, or ~0.5 objects/arcmin^2 down to z~27.3 (6 sigma; all AB mag) (including one probable z~6 AGN). Combining deep ISAAC data for our RDCS1252-2927 field (J~25.7 and Ks~25.0 (5 sigma)) and NICMOS data for the HDF North (JH~27.3 (5 sigma)), we verify that these dropouts have flat spectral slopes. i-dropouts in our sample range in luminosity from ~1.5 L* (z~25.6) to ~0.3 L* (z~27.3) with the exception of one very bright candidate at z~24.2. The half-light radii vary from 0.09" to 0.29", or 0.5 kpc to 1.7 kpc. We derive the z~6 rest-frame UV luminosity density using three different procedures, each utilizing simulations based on a CDF South V dropout sample. First, we compare our findings with a no-evolution projection of this V-dropout sample. We find 23+/-25% more i-dropouts than we predict. Adopting previous results to z~5, this works out to a 20+/-29% drop in the luminosity density from z~3 to z~6. Second, we use these same V-dropout simulations to derive a selection function for our i-dropout sample and compute the UV-luminosity density (7.2+/-2.5 x 10^25 ergs/s/Hz/Mpc^3 down to z~27). We find a 39+/-21% drop over the same redshift range. This is our preferred value and suggests a star formation rate of 0.0090+/-0.0031 M_sol/yr/Mpc^3 to z~27, or ~0.036+/- 0.012 M_sol/yr/Mpc^3 extrapolating the LF to the faint limit. Third, we follow a very similar procedure, but assume no incompleteness, finding a luminosity density which is ~2-3X lower. This final estimate constitutes a lower limit. All three estimates are within the canonical range of luminosity densities necessary for reionization of the universe at this epoch. (abridged)

研究の動機と目的

• 深宇宙のハッブルACS GTOフィールドにおけるiドロップアウト選択を用いて、z~6の高赤方偏移銀河の空間密度と性質を測定すること。
• z~3からz~6にかけてのrest-frame UV輝度密度および星形成率密度の進化を評価すること。
• 多波長画像およびシミュレーションを用いて、これらの銀河が宇宙再イオン化に果たす貢献を評価すること。
• 経験的およびシミュレーテッド手法を用いて、ドロップアウト選択における完全性および汚染の影響を補正すること。

提案手法

• 2つの深宇宙ACS GTOフィールドにおいて、合計面積46平方弧度の領域で、i-zドロップアウト基準を適用してz~6候補を特定する。
• 深宇宙ACSのiバンドおよびzバンド画像に加え、地上のISAAC JおよびKs、NICMOSのJ110およびH160データを組み合わせ、赤方偏移およびスペクトル勾配を確認する。
• CDF南のz~5のV606ドロップアウトサンプルに基づくシミュレーションを用いて、選択関数を推定し、不完全性を補正する。
• Steidelら（1999）のV_eff(m)形式の一般化版を適用し、UV輝度関数を導出し、z_AB ~ 27.0まで積分する。
• 輝度密度を3つの方法で推定する：(1) 完全に進化なしの予測と直接比較、(2) 輝度進化補正、(3) 完全性なしを仮定した下限値。
• 標準的な関係式（例：Madauら1998年）を用いて輝度密度を星形成率密度に変換し、微弱な端の挙動にはSchechter関数の外挿を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深宇宙のハッブルACS GTOフィールドにおけるz~6のiドロップアウト銀河の空間密度はいかほどか？
• RQ2 z~6におけるrest-frame UV輝度密度はz~3と比べてどう異なるか？これは宇宙再イオン化に何を示唆するか？
• RQ3 選択効果および表面輝度分布が、z~6ドロップアウトサンプルの完全性と信頼性にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 z~6における星形成率密度はどの程度か？また、低赤方偏移での以前の推定値と比較するとどうか？

主な発見

• z~6におけるiドロップアウト銀河の空間密度は、z_AB ~ 27.3（6σ）までで0.5 ± 0.1個/平方弧度、完全性補正後は0.5 ± 0.2 平方弧度⁻¹と測定された。
• z~6におけるrest-frame UV輝度密度は $7.2 \pm 2.5 \times 10^{25}\ \text{ergs s}^{-1}\text{Hz}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$ と推定され、z~3からz~6にかけて39% ± 21%の減少を示した。
• z~6における星形成率密度は $0.0090 \pm 0.0031\ \text{M}_\odot\ \text{yr}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$ であり、Schechter関数の外挿により微弱なマグニチュードまで拡張すると $\sim 0.036 \pm 0.012\ \text{M}_\circ\ \text{yr}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$ となる。
• 輝度密度推定値は、H Iの塊状要因およびUV放射の脱出率に関する標準的仮定の下で再イオン化に期待される範囲と整合的である。
• サンプルには1つのおそらくz~6のAGNが含まれており、iドロップアウト銀河はz~6の星形成銀河に一致する平坦なスペクトル勾配を示した。
• 3番目の手法（完全性なしを仮定）により、下限値として $2.7 \pm 0.6 \times 10^{25}\ \text{ergs s}^{-1}\text{Hz}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$ が得られ、同程度の輝度におけるSteidelら（1999）の値より顕著に低かった。