[論文レビュー] The Nature of High-Redshift Galaxies

Rachel S. Somerville, Joel R. Primack+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2000

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、冷たいバリオン性ダークマター（CDM）フレームワーク内での準解析的モデルを用いて、高赤方偏移におけるライマンブレイク銀河（LBGs）の性質を調査する。その結果、合体が強力な星形成を引き起こす「衝突的星形成爆発（collisional starburst）」モデルが、z ~ 3–4における観測された全光度関数、数密度、および物理的性質（例えば、星形成率、サイズ、色）を最もよく再現することが判明した。一方、静止的（quiescent）モデルは、明るい銀河と冷たいガスの不足により失敗する。このモデルは、高赤方偏移における星形成が局所的よりも著しく効率的でなければならないことを示唆しており、これは星形成爆発モデルが自然に説明できる。

ABSTRACT

Using semi-analytic models of galaxy formation set within the Cold Dark Matter (CDM) merging hierarchy, we investigate several scenarios for the nature of the high-redshift ($z \ga 2$) Lyman-break galaxies (LBGs). We consider a ``collisional starburst'' model in which bursts of star formation are triggered by galaxy-galaxy mergers, and find that a significant fraction of LBGs are predicted to be starbursts. This model reproduces the observed comoving number density of bright LBGs as a function of redshift and the observed luminosity function at $z\sim 3$ and $z\sim 4$, with a reasonable amount of dust extinction. Model galaxies at $z \sim 3$ have star formation rates, half-light radii, I-K colours, and internal velocity dispersions that are in good agreement with the data. Global quantities such as the star formation rate density and cold gas and metal content of the Universe as a function of redshift also agree well. Two ``quiescent'' models without starbursts are also investigated. In one, the star formation efficiency in galaxies remains constant with redshift, while in the other, it scales inversely with disc dynamical time, and thus increases rapidly with redshift. The first quiescent model is strongly ruled out as it does not produce enough high redshift galaxies once realistic dust extinction is accounted for. The second quiescent model fits marginally, but underproduces cold gas and very bright galaxies at high redshift. A general conclusion is that star formation at high redshift must be more efficient than locally. The collisional starburst model appears to accomplish this naturally without violating other observational constraints.

研究の動機と目的

• z > 2における高赤方偏移ライマンブレイク銀河（LBGs）の物理的性質を理論的モデリングを用いて特定すること。
• LBGsが星形成爆発的か静止的進化的シナリオかのどちらによって最もよく説明されるかを検証すること。
• 観測されたLBGの数密度、全光度関数、および物理的性質を宇宙論的制約と一致させること。
• ダスト遮蔽と星形成効率が高赤方偏移銀河進化に果たす役割を評価すること。
• 観測された星形成率密度の進化（Madauプロット）が、さまざまな銀河形成モデルによって説明可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 冷たいバリオン性ダークマター（CDM）の合体ヒエラルキー内での銀河形成の準解析的モデルを採用する。
• 合体が短時間にわたる強力な星形成を引き起こす「衝突的星形成爆発」モデルを用いて銀河進化をシミュレートする。
• z ~ 3およびz ~ 4における観測された共動的数密度と全光度関数と比較して、モデルの予測を検証する。
• UV光度に対して、光度依存性スケーリング（Wang & Heckman）を用いたダスト遮蔽補正を実施し、最小（0.4L*）および最大（すべての銀河）の補正を適用する。
• ダスト補正を施した全光度関数を統合することで、星形成率密度（SFRD）をMadauプロットに基づいて計算する。
• 2つの静止的モデルをテストする：定常な星形成効率を持つモデルと、ディスクの動的時標本に逆比例して効率が変化するモデル。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 衝突的星形成爆発モデルは、z ~ 3およびz ~ 4における高赤方偏移LBGsの観測された共動的数密度と全光度関数を再現できるか？
• RQ2 ダスト遮蔽補正は、推定された星形成率密度とモデルが観測と整合するかにどのように影響を与えるか？
• RQ3 定常的または赤方偏移依存の星形成効率を持つ静止的モデルは、高赤方偏移銀河の観測された性質を再現できるか？
• RQ4 観測された星形成率密度、冷たいガス含量、金属量の進化が銀河形成モデルに課す制約は何か？
• RQ5 z ~ 2–4における星形成率密度の観測された平坦な傾向は、理論的モデルと整合するか、それとも高赤方偏移における星形成効率の向上を必要とするか？

主な発見

• 衝突的星形成爆発モデルは、z ~ 3およびz ~ 4における明るいLBGsの観測された共動的数密度と全光度関数を、妥当なダスト遮蔽レベルでうまく再現している。
• z ~ 3におけるモデル銀河は、観測された星形成率、半光半径、I – K色、および内部速度分散と一致しており、データとの良好な一致を示している。
• モデルから導かれた星形成率密度（SFRD）は、z ~ 2からz ~ 4にかけて平坦な傾向を示し、観測データと整合的である。これは、従来のMadauプロット（z ~ 2でピークを示す）とは対照的である。
• 定常な星形成効率を持つ静止的モデルは、現実的なダスト遮蔽を適用した後、銀河数の不足により強く否定される。
• 動的時標本に逆比例して効率が変化する静止的モデルは、わずかにデータに適合するが、高赤方偏移における冷たいガスと非常に明るい銀河の生成が不足している。
• 本研究は、高赤方偏移における星形成が局所的よりも著しく効率的でなければならないと結論づける。この条件は、衝突的星形成爆発モデルが自然に満たしている。