[論文レビュー] Unveiling Dust-enshrouded Star Formation in the Early Universe: a Sub-mm Survey of the Hubble Deep Field

D. H. Hughes, S. Serjeant+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 1998

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 48被引用数 750

ひとこと要約

本論文は、JCMTのSCUBAを用いて、Hubble Deep Fieldにおけるこれまでで最も深いsub-mmサーベイを提示する。5つの信頼性の高い850 μm源が赤方偏移z ≈ 3で検出され、それぞれのfluxは2 mJy以上である。これらの源は、宇宙の未解明なsub-mm背景の30–50％を占めるほどのダストに包まれた星形成銀河の集団を示しており、これはz > 2における星形成密度が、UVデータのみから推定される値の少なくとも5倍以上であることを示唆している。

ABSTRACT

The advent of sensitive sub-mm array cameras now allows a proper census of dust-enshrouded massive star-formation in very distant galaxies, previously hidden activity to which even the faintest optical images are insensitive. We present the deepest sub-mm survey of the sky to date, taken with the SCUBA camera on the James Clerk Maxwell Telescope and centred on the Hubble Deep Field. The high source density found in this image implies that the survey is confusion-limited below a flux density of 2 mJy. However, within the central 80 arcsec radius independent analyses yield 5 reproducible sources with S(850um) > 2 mJy which simulations indicate can be ascribed to individual galaxies. We give positions and flux densities for these, and furthermore show using multi-frequency photometric data that the brightest sources in our map lie at redshifts z~3. These results lead to integral source counts which are completely inconsistent with a no-evolution model, and imply that massive star-formation activity continues at redshifts > 2. The combined brightness of the 5 most secure sources in our map is sufficient to account for 30 - 50% of the previously unresolved sub-mm background, and we estimate statistically that the entire background is resolved at about the 0.3 mJy level. Finally we discuss possible optical identifications and redshift estimates for the brightest sources. One source appears to be associated with an extreme starburst galaxy at z~1, whilst the remaining four appear to lie in the redshift range 2 < z < 4. This implies a star-formation density over this redshift range that is at least five times higher than that inferred from the ultraviolet output of HDF galaxies.

研究の動機と目的

• 光学的サーベイではダストによる遮蔽のため検出されなかった、初期宇宙におけるダストに包まれた星形成銀河を検出し、特徴を明らかにすること。
• 高赤方偏移でダストに包まれた星形成銀河が、銀河間sub-mm背景に与える寄与を測定すること。
• UVベースの推定値がダストの影響を受ける可能性があることから、sub-mmデータを用いてz > 2における星形成率密度をUVとは独立して決定すること。
• 多波長光度測定解析を用いて、検出されたsub-mm源の赤方偏移分布および物理的性質を評価すること。
• 2 mJy未満のflux密度における、混信制限領域におけるサーベイの完全性と信頼性を評価すること。

提案手法

• James Clerk Maxwell Telescopeに搭載されたSCUBAを用いて、Hubble Deep Fieldの超深さ850 μmサーベイを実施した。
• 中央80アーセコンドの領域内で独立した源抽出と検証を実施し、2 mJy以上のflux密度を持つ5つの信頼性の高い源を同定した。
• 光学、近赤外、sub-mmの多波長光度測定データを用いて、検出された源の赤方偏移とSEDを推定した。
• シミュレーションを用いて混信と信頼性を評価し、5つの源が個別に解像可能であることを確認した。
• 5つの最も明るい源の合計fluxがsub-mm背景に与える寄与を計算し、背景の総解像度を推定した。
• q₀ = 0.5を仮定して、合計fluxと宇宙論的体積を用いて、z ≈ 3におけるダストに包まれた星形成率密度を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 sub-mmサーベイによって明らかにされたように、赤方偏移z > 2におけるダストに包まれた星形成活動の程度は何か？
• RQ2 sub-mmで検出された源は、850 μmにおける未解像の銀河間sub-mm背景のどの程度を占めているか？
• RQ3 検出されたsub-mm源の赤方偏移と明るさは、高赤方偏移銀河進化のモデルからの予想とどのように一致するか？
• RQ4 UVベースのサーベイがダスト遮蔽のため見逃す可能性のある、初期宇宙における星形成率密度の総量のうちどの程度が欠落しているか？
• RQ5 検出された源の性質は、既知の局所ULIRGと整合するか？これはそれらの進化状態にどのような示唆をもたらすか？

主な発見

• Hubble Deep Fieldの中央80アーセコンド領域に、S₈₅₀ μm > 2 mJyである5つの信頼性の高いsub-mm源が検出され、位置とflux密度が報告された。
• 最も明るい源は赤方偏移z ≈ 3に位置し、5つのうち4つはおそらく2 ≤ z < 4の赤方偏移範囲にある。
• 5つの信頼性の高い源の合計fluxは、850 μmにおける以前未解像のsub-mm背景の30–50％を占める。
• flux密度約0.3 mJyのレベルで、sub-mm背景のおよそ80％が解像されたことから、背景は主に解像可能であることが示された。
• q₀ = 0.5を仮定した場合、z ≈ 3におけるダストに包まれた星形成率密度は0.21 h M☉ yr⁻¹ Mpc⁻³と推定され、これはUVデータのみから推定される値の少なくとも5倍以上高い。
• 1つの源がz > 4に位置する場合、星形成率密度はz ≈ 5までほぼ一定を保つため、初期宇宙における持続的な活動が示唆される。