[論文レビュー] The Star Formation Rate of the Universe at z~6 from the Hubble Ultra Deep Field

Andrew J. Bunker, E. R. Stanway+2 more|Mar 10, 2004

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、Hubble Ultra Deep Fieldを用いて、i′-ドロップアウト銀河の (i′−z′)AB>1.3 の色超過を特定することで、z≈6における星形成率を測定した。z′_AB=28.5まで54個の候補を同定した。その結果、z≈6における空間的密度星形成率はz≈3の約6倍低いことが判明し、明るいz≈6銀河が宇宙を再イオン化したというモデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

We determine the abundance of i'-band drop-outs in the recently-released HST/ACS Hubble Ultra Deep Field (UDF). Since the majority of these sources are likely to be z~6 galaxies whose flux decrement between the F775W i'-band and F850LP z'-band arises from Lyman-alpha absorption, the number of detected candidates provides a valuable upper limit to the unextincted star formation rate at this redshift. We demonstrate that the increased depth of UDF enables us to reach an 8-sigma limiting magnitude of z'(AB)=28.5 (equivalent to 1.5/h{70}^2 M_sun/yr at z=6, or 0.1 L*(UV) for the z~3 U-drop population), permitting us to address earlier ambiguities arising from the unobserved form of the luminosity function. We identify 54 galaxies (and only one star) at z'(AB)<28.5 with (i'-z')>1.3 over the deepest 11arcmin^2 portion of the UDF field. The characteristic luminosity (L*) is consistent with values observed at z~3. The faint end slope (alpha) is less well constrained, but is consistent with only modest evolution. The main change appears to be in the number density (Phi*). Specifically, and regardless of possible contamination from cool stars and lower redshift sources, the UDF data support our previous result that the star formation rate at z~6 was at least x6 LESS than at z~3 (Stanway, Bunker & McMahon 2003). This declining comoving star formation rate (0.005 h{70}M_sun/yr/Mpc^3 at z~6 for a Salpeter IMF) poses an interesting challenge for models which suggest that L>0.1L* star forming galaxies at z~6 reionized the universe. The short-fall in ionizing photons might be alleviated by galaxies fainter than our limit, or a radically different IMF. Alternatively, the bulk of reionization might have occurred at z>>6.

研究の動機と目的

• 深紫外赤外宇宙望遠鏡のHubble Space Telescopeの画像を用いて、z≈6における星形成率密度を特定すること。
• 高赤方偏移におけるUVマグニチュード関数の微弱な端の勾配に関する不確実性を解消すること。
• z≈6における明るい星形成銀河が宇宙を再イオン化した可能性を検証すること。
• i′-ドロップアウト選別の際の冷却星および低赤方偏移の混入者による汚染を評価すること。

提案手法

• Hubble Ultra Deep FieldのACSデータにおいて、(i′−z′)AB>1.3の色選別法を用いてi′-ドロップアウト候補を特定する。
• z′_AB=28.5の深さ8σ限界マグニチュードを適用し、z=6.1における1.5 h⁻²₇₀ M⊙ yr⁻¹に対応する。
• 低赤方偏移のマグニチュード関数に基づくシミュレーションを用いて、冷却星および低z銀河による汚染を推定する。
• z≈3と整合するL*を有するマグニチュード関数モデルを適用し、α（微弱な端の勾配）を自由パラメータとして扱う。
• z≈6におけるL>0.1 L*_{UV}の領域を統合することで、空間的密度星形成率密度を計算する。
• 以前のGOODSデータおよび高いイオン化光子出力が要求される再イオン化モデルと結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UVマグニチュードが強い銀河（L>0.1 L*_{UV}）について、z≈6における空間的密度星形成率密度はいかほどか？
• RQ2 同じマグニチュード限界のもとで、z≈6におけるi′-ドロップアウト銀河の豊度はz≈3と比べてどの程度か？
• RQ3 i′-ドロップアウトサンプルは、冷却星や低赤方偏移銀河による汚染をどの程度受けているか？
• RQ4 観測されたz≈6における星形成率は、これらの銀河が主なイオン化源であると仮定した場合、宇宙の再イオン化を説明できるか？
• RQ5 z≈6におけるUVマグニチュード関数の形状、特に微弱な端の勾配αはいかなるものか？

主な発見

• Hubble Ultra Deep Fieldは8σ限界マグニチュードz′_AB=28.5に達しており、これにより以前の調査よりも微弱な銀河の検出が可能となった。
• UDFの最も深い11平方弧分において、(i′−z′)AB>1.3を満たすi′-ドロップアウト候補が54個同定され、これはz≈6における銀河の豊度の上限を表す。
• z≈6におけるL>0.1 L*_{UV}銀河の空間的密度星形成率密度は0.005 h₇₀ M⊙ yr⁻¹ Mpc⁻³であり、z≈3の約6倍低い。
• z≈6におけるUVマグニチュード関数の微弱な端の勾配αは、やや強い進化を示すが、主な変化は形状ではなく正規化定数（Φ*）の変化である。
• z′_AB>26では冷却銀河系の星による汚染は最小限に抑えられており、これはUDFが銀河平面をはるかに超えて位置しているためである。
• 観測されたz≈6における星形成率は、明るいz≈6銀河が主なイオン化源であると仮定した場合、宇宙の再イオン化を説明するには不足している。これは、より微弱な銀河、トップヘビーな初期質量関数、または再イオン化がz>10で発生した可能性を示唆する。