[論文レビュー] The UV luminosity functions of Bright z>8 Galaxies: Determination from ~0.41 deg2 of HST Observations along ~sim 300 independent sightlines

Nicha Leethochawalit, Guido Roberts-Borsani+3 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、SuperBoRG調査の約300の独立した視線にわたる純並列観測によるハッブル宇宙望遠鏡（HST）の0.41 deg²のデータを用いて、z>8の明るい銀河の静止系UV輝度関数（UVLF）を導出している。UVLFの明るい端は、従来のレガシーフィールド結果と比較して約1デシベル高いことが判明した。その理由として、AGNの寄与が顕著であるか、高赤方偏移銀河のダスト量が少ないことが考えられ、両者とも初期銀河進化の理論的モデルと整合的である。

ABSTRACT

We determine the bright end of the rest-frame UV luminosity function (UVLF) at $z=8-10$ by selecting bright $z\gtrsim 8$ photometric candidates from the largest systematic compilation of HST (pure-)parallel observations to date, the Super-Brightest-of-Reionizing-Galaxies (SuperBoRG) data set. The data set includes $\sim300$ independent sightlines from WFC3 observations, totalling $800-1300$ arcmin$^2$ (depending on redshift). We identify 31 $z\gtrsim8$ candidates via colour selection and photo-$z$ analysis with observed magnitude ($24.1< H_{160} <26.6$) and $1σ$ range probability of $58-95\%$ of being true high-z galaxies. Following detailed completeness and source recovery simulations, as well as modelling of interloper contamination, we derive rest-frame UVLFs at $z=8-10$ down to $M_{UV}\simeq-23$. We find that the bright end of the galaxy luminosity function can be described both by a Schechter and by a double power-law function, with our space-based large area determination showing some tentative discrepancies with the luminosity functions derived from ground-based observations at the same redshifts. We identify two possible explanations. The first is that the UVLF includes a substantial contribution from AGNs at magnitudes $M_{UV}<-22$. The UVLF we derive at $z=8$ is consistent with no evolution of the bright end from $z=6-7$ UVLFs that include AGNs. An alternative (and non-exclusive) possibility is that the dust content of the observed galaxies decreases with redshift, thereby countering the naturally expected decrease in the UV luminosity functions because of a decreased star formation rate with increasing redshift. Both scenarios raise interesting prospects to further understand galaxy formation in extreme objects during the epoch of reionisation.

研究の動機と目的

• 本研究は、これまでで最大のHST純並列調査を用いて、z=8–10における明るい端のUV輝度関数（UVLF）を特定することを目的としている。
• 広範な複数視線調査において、高赤方偏移銀河候補を同定する際の宇宙分散および汚染の影響を評価することを目的としている。
• 観測されたUVLFの明るい端における過剰が、AGN寄与によるものか、高赤方偏移銀河におけるダスト減光の低減によるものかを評価することを目的としている。
• 導出されたUVLFを既存のSchechter関数および二重パワーロー（DPL）関数形と比較し、地上および宇宙望遠鏡の調査と照らし合わせることを目的としている。
• シミュレーションおよび光度赤方偏移分析を用いて、源の完全性と誤検出の統計的フレームワークを確立することを目的としている。

提案手法

• SuperBoRG調査のHST WFC3純並列観測データを約0.41 deg²使用し、約300の独立視線にわたって800–1300 arcmin²をカバーした。
• Y105ドロップアウトなど色ドロップアウト選択と信号対ノイズのしきい値を用いてz≳8候補を同定し、その後光度赤方偏移（photo-z）分析を実施した。
• 検出効率、特に明るい端（M_UV ≲ -21.5）における源の回復と完全性のシミュレーションを実施した。
• スペクトルエネルギー分布（SED）フィッティングと天の明るさ密度の仮定を用いて、低赤方偏移銀河および冷却矮星からの誤検出汚染をモデル化した。
• 観測UVLFをSchechter関数および二重パワーロー（DPL）関数にフィットさせ、適合度と関数形の安定性を評価した。
• 地上望遠鏡（例：COSMOS/VIDEO）および宇宙望遠鏡（例：レガシーフィールド）調査の文献におけるUVLFと照らし合わせ、宇宙分散および一貫性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=8–10における明るい端UVLFは、従来のレガシーフィールド推定値と顕著に高く、これは宇宙分散の影響か、それとも本質的な天体物理学的要因によるものか？
• RQ2 M_UV < -22 magにおけるUVLFにAGNがどの程度寄与しているか、そしてz=6–7からの進化が見られないのは、これが説明可能か？
• RQ3 z≥8における高赤方偏移銀河のダスト量が低減していると仮定すれば、観測されたUVLFの形状と正規化は説明可能か？
• RQ4 Schechter関数と二重パワーロー関数は、観測されたUVLFに対して同等に妥当なフィットを示すか？このことは、背後にある銀河集団に何を示唆するか？
• RQ5 完全性と誤検出汚染は、広域で浅いHST並列調査におけるUVLF測定の信頼性にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• z=8–10における導出UVLFは、従来のレガシーフィールド推定値と比較して、明るい端（M_UV ≲ -22）で約1デシベル高い。これは明るい銀河の数密度に顕著な過剰があることを示唆している。
• AGN寄与を含めると、z=6–7からの進化がないことと整合的であり、z>8における明るい端がAGNが支配的であるという仮説を支持している。
• 理論的モデル（z≥8でダスト/金属比が低いと仮定）と整合的であり、ダスト減光の低減が星形成率の予想される低下を相殺している可能性を示唆している。
• Schechter関数および二重パワーロー（DPL）関数の両方が、データに対して統計的に区別できないフィットを示しているが、明るい端の正規化が両者の区別を困難にしている。
• 完全性はM_UV ≈ -21.5で50％未満に低下し、UVLFがM_UV ≃ -23まで信頼できるが、明るさがさらに小さい領域では大きな不確実性がある。
• 最終サンプルには、SEDフィッティングおよび誤検出スクリーニングを経て、z≳8である確率が58–95％の31個の候補が含まれている。