[論文レビュー] The Discovery of Primeval Galaxies and the Epoch of Galaxy Formation

Max Pettini, Charles C. Steidel+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 1997

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z ≈ 3 の原始銀河を発見することを目的とした、912 Å におけるライマン断絶に着目した光度的選別技術を提示している。この手法により、明るく星形成が活発で、強力な噴流と中程度のダスト減光を示す銀河の集団が明らかになった。この方法は初期の大規模構造形成を確認しており、ダークマター・ハロー質量が 10¹² M☉ を超えることを示唆している。また、z > 5 の観測には赤外線宇宙望遠鏡の必要性が強調されている。

ABSTRACT

We review the steps which have led to the discovery of a widespread population of objects at z = 3 with many of the characteristics which we expect for primeval galaxies, and emphasize in particular the advantages of a colour selection technique which targets the Lyman discontinuity at 912 Angstroms. Star forming galaxies at z = 3 resemble local starbursts, although they are typically more luminous by more than one order of magnitude. The ultraviolet continuum is dominated by the integrated light of O and early B type stars and shows prominent interstellar absorption lines which are often blueshifted relative to the systemic velocity of the galaxy, indicating highly energetic outflows in the interstellar medium. Lyman alpha emission is generally weak, probably as a result of resonant scattering. The spectral slope of the ultraviolet continuum and the strength of the Hbeta emission line, which we have detected in a few cases with pilot observations in the infrared K band, suggest that some interstellar dust is already present in these young galaxies and that it attenuates their UV luminosities by a factor of about 3. The efficiency of our photometric selection technique has allowed us to establish that large scale concentrations of galaxies were already in place at z = 3, possibly the precursors of galaxy clusters as they as they were beginning to decouple from the Hubble expansion. In the context of Cold Dark Matter models of structure formation, the observed clustering of the z~3 galaxies suggests that they are associated with dark matter halos of mass greater than 10^12 solar masses. We conclude by pointing out the need for infrared space observatories, such as the proposed Next Generation Space Telescope, for pushing the quest for the origin of galaxies beyond z=5.

研究の動機と目的

• 新しい光度的選別技術を用いて、高赤方偏移 (z ≈ 3) の原始銀河を特定・特徴付けること。
• 星形成活発な初期銀河の物理的性質（星形成率、噴流、ダスト含有量など）を理解すること。
• 高赤方偏移銀河のクラスタリングを調査し、コールド・ダーク・マター（CDM）モデルにおけるダークマター・ハロー形成との関連を解明すること。
• 将来の赤外線宇宙望遠鏡を用いた、z = 5 よりも高い赤方偏移でのこれらの銀河の検出可能性を評価すること。
• 初期銀河におけるリコネンス散乱と銀河間物質の吸収が、Lyα線形成に与える影響を特定すること。

提案手法

• 912 Å におけるライマン断絶に着目した色選別法を用いて、高赤方偏移銀河を分離する。
• 深紫外・近赤外光度測定を用いて、強いライマンブレイク特徴を示す銀河を同定する。
• Kバンド観測における紫外連続スペクトル傾きと Hβ 線の検出を用いて、ダスト減光を推定する。
• ブルーシフトした銀河間物質の吸収ラインを測定し、ISM 内のエネルギーの高い噴流を推定する。
• クラスタリング解析を用いて、z ≈ 3 における大規模構造形成を評価する。
• コールド・ダーク・マター（CDM）モデルを用いて、観測された銀河クラスタリングからハロー質量を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 3 の銀河の性質は何か？ また、それらの物理的性質は、現在の星形成爆発銀河とどのように比較できるか？
• RQ2 ライマン断絶選別法は、他の手法と比較して、高赤方偏移銀河の検出をどの程度向上させるか？
• RQ3 ダスト減光は初期銀河の紫外線輝度にどの程度の影響を与えているか？ その定量的影響は何か？
• RQ4 z ≈ 3 の銀河のクラスタリングスケールは何か？ これにより、それらのハローに存在するダークマター・ハロー質量にどのような示唆が得られるか？
• RQ5 z = 5 よりも高い赤方偏移での銀河発見の見通しはどのようか？ どのような観測機器が必要か？

主な発見

• z ≈ 3 の銀河は、通常、局所の星形成爆発銀河よりも10倍以上明るい。
• 紫外連続スペクトルは O 型星および初期の B 型星が支配的であり、顕著なブルーシフトした銀河間物質の吸収ラインは、強力な噴流を示している。
• リコネンス散乱のため、Lyα線は弱く、高い中性水素密度に一致する。
• ダスト減光により紫外線輝度が約3倍低下しており、これはスペクトル傾きと K バンドにおける Hβ 線検出から推定されたものである。
• z ≈ 3 における銀河クラスタリングは、10¹² 太陽質量を超えるダークマター・ハローの存在を示唆している。
• 観測された大規模構造は、z ≈ 3 の銀河が現在の銀河団の前身である可能性が高いことを示している。