[論文レビュー] The Evolution of Luminous Matter in the Universe

Piero Madau|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 1997

Photocathodes and Microchannel Plates被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、銀河の星形成率および星の質量を推定するために、静止系のUVおよび近赤外連続スペクトルを用いた分光測光モデルを提示する。その結果、現在の宇宙の約60％の星が最近（z < 1.5）に形成されたことが示され、階層的宇宙論と整合的である。また、明るさが弱い星までの全銀河背景光（EBL）を説明でき、初期の星光の予算見積もりにおいて、ほこりによる吸収が最大の不確実要因であることが明らかになった。

ABSTRACT

I review a technique for interpreting faint galaxy data which traces the evolution with cosmic time of the galaxy luminosity density, as determined from several deep spectroscopic samples and the HDF. The method relies on the rest frame UV and near-IR continua of galaxies as indicators, for a given IMF and dust content, of their instantaneous SFR and total stellar mass, and offers the prospect of addressing in a coherent framework an important set of subjects: cosmic star formation history, dust in primeval galaxies, shape of the IMF, stellar mass-to-light ratios of present-day galaxies, extragalactic background light, Type II supernovae and heavy element enrichment history of the universe. The global spectrophotometric properties of field galaxies are well fit by a simple stellar evolution model, defined by a time-dependent SFR per unit comoving volume, a universal IMF which is relatively rich in massive stars, and a modest amount of dust reddening. The model is able to account for the entire background light recorded in the galaxy counts down to the very faint magnitude levels probed by the HDF, and produces visible mass-to-light ratios at the present epoch which are consistent with the values observed in nearby galaxies of various morphological types. The bulk (&gt;60%) of the stars present today formed relatively recently (z&lt;1.5), consistently with the expectations from a broad class of hierarchical clustering cosmologies, and in good agreement with the low level of metal enrichment observed at high redshifts in the damped Lyman-alpha systems. Throughout this review I emphasize how the poorly constrained amount of starlight that was absorbed by dust and reradiated in the far-IR at early epochs represents one of the biggest uncertainties in our understanding of the evolution of luminous matter in the universe.

研究の動機と目的

• 深宇宙探査およびハッブル深宇宙フィールド（HDF）からの微弱銀河データを解釈し、明るい物質の宇宙的歴史を再構築すること。
• 銀河における星形成歴史、初期質量関数（IMF）、ほこり含有量、星の質量対光度比に関する不確実性を解消すること。
• 星形成とほこりによる吸収を一貫したモデルで用いて、全銀河背景光（EBL）を説明すること。
• ほこりが初期の星光を吸収し、遠赤外（far-IR）に再放射する役割を評価し、明るい物質の進化見積もりにおける主要な不確実要因を特定すること。

提案手法

• 即時の星形成率（SFR）および全星の質量を推定するためのプロキシとして、静止系のUVおよび近赤外スペクトルエネルギー分布（SED）を用いる。
• 単一星族（SSP）モデルを適用し、単位共動体積あたりの時間に依存するSFRを仮定する。
• 質量の大きな星が豊富な普遍的な初期質量関数（IMF）と、やや控えめなほこりによる赤化則を用いて、観測された銀河SEDに適合させる。
• 深宇宙分光サンプルおよびハッブル深宇宙フィールド（HDF）データを用いて、SFRおよび星の質量密度の進化を制約する。
• 観測された銀河数密度と背景光をフィットさせ、モデルが全銀河背景光と整合的であるかを検証する。
• ほこりによる再放射を組み込み、星光の吸収率および遠赤外領域での再放射割合を推定し、その不確実性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微弱銀河の静止系UVおよび近赤外特性から、星形成の宇宙的歴史はいかに推定できるか？
• RQ2 既知の銀河およびその進化した星の集団が、全銀河背景光のどの程度を占めているか？
• RQ3 遠赤外領域でのほこりによる吸収および再放射が、初期宇宙における明るい物質予算の推定にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 初期質量関数（IMF）は宇宙時間にわたって一貫しており、初期の星形成において質量の大きな星を favour するか？
• RQ5 モデルが予測する星の質量対光度比は、近傍銀河の観測とどの程度一致するか？

主な発見

• 現在の宇宙における星の約60％が赤方偏移 z < 1.5 で形成されたことが示され、顕著な最近の星形成期であることが判明した。
• モデルは、HDFの最も微弱な明るさまで記録された全銀河背景光（EBL）を説明できた。
• 現在の星の質量対光度比の予測値は、さまざまな形態的タイプの近傍銀河の観測と整合的であった。
• 推定された星形成歴史は、階層的クラスタリング宇宙論と広く一致しており、高赤方偏移のダムプド・ライマンアルファ系における低金属量レベルとも整合的であった。
• 初期の星光がほこりによって吸収され、遠赤外領域に再放射されることによる不確実性が、明るい物質の全予算を再構築するうえで最大の不確実要因のままである。
• SEDと統合された背景光の両方にモデルがうまくフィットしたことは、静止系UVおよび近赤外連続スペクトルがSFRおよび星の質量の強固な指標であることを支持する。