[논문 리뷰] An Increasing Stellar Baryon Fraction in Bright Galaxies at High Redshift

Steven L. Finkelstein, Mimi Song외 13명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 31.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 z=4에서 z=7 사이에 우주적 항성 형성 밀도가 감소하는 동안 빛나는 은하의 특성적인 UV 등급 빛의 세기가 왜 일정하게 유지되는지에 대해 조사한다. 허블과 스피itzer의 깊은 광도 측정을 통해, 항성 바리온 분율이 z=4에서 5.1%에서 z=7에서 11.7%로 증가하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 고적색계에서 피드백 효율성이 낮아졌음을 시사하여 단순한 은하 성장 모델에 도전한다.

ABSTRACT

Recent observations have shown that the characteristic luminosity of the rest-frame ultraviolet (UV) luminosity function does not significantly evolve at 4 < z < 7 and is approximately M*_UV ~ -21. We investigate this apparent non-evolution by examining a sample of 178 bright, M_UV < -21 galaxies at z=4 to 7, analyzing their stellar populations and host halo masses. Including deep Spitzer/IRAC imaging to constrain the rest-frame optical light, we find that M*_UV galaxies at z=4-7 have similar stellar masses of log(M/Msol)=9.6-9.9 and are thus relatively massive for these high redshifts. However, bright galaxies at z=4-7 are less massive and have younger inferred ages than similarly bright galaxies at z=2-3, even though the two populations have similar star formation rates and levels of dust attenuation. We match the abundances of these bright z=4-7 galaxies to halo mass functions from the Bolshoi Lambda-CDM simulation to estimate the halo masses. We find that the typical halo masses in ~M*_UV galaxies decrease from log(M_h/Msol)=11.9 at z=4 to log(M_h/Msol)=11.4 at z=7. Thus, although we are studying galaxies at a similar mass across multiple redshifts, these galaxies live in lower mass halos at higher redshift. The stellar baryon fraction in units of the cosmic mean Omega_b/Omega_m rises from 5.1% at z=4 to 11.7% at z=7; this evolution is significant at the ~3-sigma level. This rise does not agree with simple expectations of how galaxies grow, and implies that some effect, perhaps a diminishing efficiency of feedback, is allowing a higher fraction of available baryons to be converted into stars at high redshifts.

연구 동기 및 목표

• z=4에서 z=7 사이에 빛나는 은하에서 변화하지 않는 특성적인 UV 등급 함수(M*UV)의 물리적 기원을 조사하는 것.
• 이 적색계 범위 동안 항성 질량, 항성 형성 속도, 먼지 감쇠가 일정하게 유지되는지 확인하는 것.
• Bolshoi ΛCDM 시뮬레이션과의 밀도 매칭을 통해 주변 헬로 질량을 추론하여 구조적 진화를 이해하는 것.
• 항성 바리온 분율(SBF)을 측정하고 적색계에 따른 진화를 평가하여 피드백 효율성을 탐구하는 것.
• 관측된 경향이 단순한 은하 성장 기대와 모순되는지 확인하고, 초기 은하 형성에 대한 물리적 함의를 유추하는 것.

제안 방법

• 허블 WFC3/IR 영상과 깊은 스피쳐/IRAC 데이터를 사용하여 z=4–7에서 MUV < -21인 178개의 빛나는 은하를 선별하여 고유 광학 영역 빛을 제약한다.
• 은하의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 항성 집단 모델로 맞추어 항성 질량, 연령, 먼지 감쇠, 항성 형성 속도를 유도한다.
• 관측된 은하 빈도와 Bolshoi ΛCDM 헬로 질량 함수 사이의 밀도 매칭을 적용하여 주변 헬로 질량(Mh)을 추론한다.
• 항성 질량을 헬로 질량으로 나눈 비율을 항성 바리온 분율(SBF)로 계산하고, 우주의 바리온 대 물질 비율(Ωb/Ωm)으로 정규화한다.
• SBF의 적색계에 따른 진화를 평가하기 위해 통계적 유의성 검정(3.2σ)을 사용한다.
• 고적색계 은하의 진화 궤적을 국지적 SMG(서브밀리미터 은하)의 항성 질량과 비교하여 잠재적 후손을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=4에서 z=7 사이에 우주의 항성 형성 밀도가 감소하는 동안 특성적인 UV 등급(M*UV)이 왜 거의 일정하게 유지되는가?
• RQ2 z=4–7에서 빛나는 은하들은 이 적색계 범위 동안 유사한 항성 질량, 항성 형성 속도, 먼지 특성을 가지는가?
• RQ3 M*UV 은하의 주변 헬로 질량은 적색계가 증가함에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 항성 바리온 분율(SBF)은 적색계에 따라 증가하는가? 이는 초기 은하에서 피드백 효율성에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 관측된 경향은 단순한 은하 성장 기대와 모순되는가? 이를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• z=4–7에서 MUV < -21인 은하들은 적색계에 관계없이 거의 일정한 항성 질량(log(M*/M☉) = 9.6–9.9)을 가진다.
• 유사한 항성 형성 속도와 먼지 감쇠가 존재하나, z=4–7의 은하는 z=2–3의 대응체보다 더 어린 연령을 가진다.
• 주변 헬로 질량은 z=4에서 log(Mh/M☉) = 11.93에서 z=7에서 log(Mh/M☉) = 11.35로 감소하여 고적색계에서 점점 더 낮은 질량의 헬로에 자리 잡고 있음을 시사한다.
• 항성 바리온 분율(SBF)은 z=4에서 5.1% ± 0.6%에서 z=7에서 11.7% ± 4.3%로 증가하며, 이 경향은 3.2σ 수준에서 유의미하다.
• 이러한 증가하는 SBF는 단순한 은하 성장 모델과 모순되며, 고적색계에서 피드백 효율성이 감소하여 더 많은 바리온이 항성으로 형성될 수 있었음을 암시한다.
• z=6–7의 은하들이 항성 형성 속도를 약 50 M☉ yr⁻¹로 유지할 경우, z=2에서 거대한 SMG로 진화할 수 있으며, 이는 융합 기반의 SMG 형성 시나리오와 일치한다.