[논문 리뷰] Are Ultra-faint Galaxies at z=6-8 Responsible for Cosmic Reionization ? Combined Constraints from the Hubble Frontier Fields Clusters and Parallels

Hakim Atek, Johan Richard외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 22.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

심층 허블 프론티어 필드 이미징과 고도로 발전한 중력 렌즈 모델을 사용하여, 이 연구는 z≈6–8에서의 은하의 고정된 자외선 빛의 함수(UV LF)를 이전의 빈 필드 조사보다 훨씬 깊이 측정하였으며, M_UV = −15.25까지 낮은 끝 기울기(α = −2.04)를 보이며 초연약 은하가 우주 재이온화에 상당히 기여할 가능성이 있음을 시사한다. 이는 z≈7에서 이온화 상태를 유지하기에 충분한 이온화 방출 분율(f_esc >10%)을 가짐을 의미한다.

ABSTRACT

We use deep Hubble Space Telescope imaging of the Frontier Fields to accurately measure the galaxy rest-frame ultraviolet luminosity function (UV LF) in the redshift range $z \\sim 6-8$. We combine observations in three lensing clusters A2744, MACS0416, MACS0717 and their associated parallels fields to select high-redshift dropout candidates. We use the latest lensing models to estimate the flux magnification and the effective survey volume in combination with completeness simulations performed in the source plane. We report the detection of 227 galaxy candidates at $z=6-7$ and 25 candidates at $z \\sim 8$. While the total survey area is about 4 arcmin$^{2}$ in each parallel field, it drops to about 0.6 to 1 arcmin$^{2}$ in the cluster core fields because of the strong lensing. We compute the UV luminosity function at $z \\sim 7$ using the combined galaxy sample and perform Monte Carlo simulations to determine the best fit Schechter parameters. We are able to reliably constrain the LF down to an absolute magnitude of $M_{UV}=-15.25$, which corresponds to 0.005$L^{\\star}$. More importantly, we find that the faint-end slope remains steep down to this magnitude limit with $\\alpha=-2.04_{-0.17}^{+0.13}$. Our results confirm the most recent results in deep blank fields but extend the LF measurements more than two magnitudes deeper. The UV LF at $z \\sim 8$ is not very well constrained below $M_{UV}=-18$ due to the small number statistics and incompleteness uncertainties. To assess the contribution of galaxies to cosmic reionization we derive the UV luminosity density at $z\\sim7$ by integrating the UV LF down to an observationally constrained limit of $M_{UV} = -15$. We show that our determination of Log($\ ho_{UV}$)=$26.2\\pm0.13$ (erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$ Mpc$^{-3}$) can be sufficient to maintain the IGM ionized.

연구 동기 및 목표

• 이전의 빈 필드 조사보다 더 깊이 있고 정확도가 높은 방식으로 z≈6–8에서 고적색편이 은하의 고정된 자외선 빛의 함수(UV LF)를 제약 조건을 둔다.
• z≈7과 z≈8에서의 UV 빛 밀도를 측정하여 어두운 은하가 우주 재이온화에 기여하는 정도를 평가한다.
• 허블 프론티어 필드 은하단의 강한 중력 렌즈 효과를 활용하여, 이전에는 탐지되지 못했던 매우 어두운 고적색편이 은하를 탐지하고 특성화한다.
• 원천 평면에서의 완전성 시뮬레이션과 렌즈 확대 보정을 통해 UV LF의 어두운 끝 기울기에 대한 제약 조건을 향상시킨다.
• 은하의 이온화 광자 예산을 평가하고, z≈7에서 재이온화를 유지하기 위해 필요한 이온화 복사의 방출 분율(f_esc)을 결정한다.

제안 방법

• 허블 우주 망원경(HST)의 세 개의 프론티어 필드 은하단(A2744, MACS0416, MACS0717)과 그들의 평행 필드에서의 심층 이미징을 통합하여 조사 범위와 깊이를 극대화한다.
• CATS 팀(Jauzac 등, 2014, 2015; Limousin 등, 2015)의 최신 렌즈 모델을 적용하여 확대 효과와 원천 평면 기하학을 보정한다.
• 렌즈 효과, 확대 편향, 조사 깊이를 고려한 원천 평면에서의 완전성 시뮬레이션을 수행하여 정확한 부피 보정을 가능하게 한다.
• 라이만 브레이크 광학적 선택 기법(드롭아웃 기법)을 사용하여 클러스터 및 평행 필드에서 z≈6–7과 z≈8의 고적색편이 은하 후보를 식별한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 적용하여 관측된 UV LF에 대해 샤헤르트 함수 매개변수(α, M*, φ*)를 피팅하고, 확대 및 완전성에 대한 불확실성에서 오는 오차 전파를 고려한다.
• UV LF를 M_UV = −15까지 통합하여 UV 빛 밀도(ρ_UV)를 계산하고, 재이온화를 유지하기 위해 필요한 이온화 방출 분율(f_esc)을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렌즈 강화 심층 이미징을 사용하여 z≈6–8에서 은하의 UV 빛의 함수(UV LF)의 형태, 특히 어두운 끝에서의 형태는 어떻게 되는가?
• RQ2 z≈6–8에서 M_UV ≈ −15.25인 초연약 은하가 z≈7에서 우주의 재이온화를 유지하는 데 충분한 이온화 광자를 제공할 수 있는가?
• RQ3 z≈7에서의 UV LF 어두운 끝 기울기(α)는 이전의 빈 필드 조사와 비교하여 어떻게 다른가? 그리고 이는 은하의 재이온화 기여에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 z≈7에서의 UV 빛 밀도(ρ_UV)는 얼마이며, 재이온화를 유지하기 위해 필요한 이온화 복사 방출 분율(f_esc)은 얼마인가?
• RQ5 z≈8에서의 UV LF 제약 조건은 z≈7과 비교하여 어떻게 되며, 낮은 통계적 수치로 인한 주요 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• z≈7에서의 UV 빛의 함수는 M_UV = −15.25까지 신뢰성 있게 제약 조건이 둔 것으로, 이는 0.005 L*에 해당하며 이전의 빈 필드 연구보다 2개 이상의 magnitude 더 깊다.
• UV LF의 어두운 끝 기울기는 α = −2.04⁺⁰.¹³₋₀.¹⁷로 여전히 급격한 기울기를 유지하여, z≈7에서 어두운 저광도 은하의 높은 비율을 시사한다.
• z≈7에서의 최적 피팅 샤헤르트 매개변수는 M* = −20.89⁺⁰.⁶⁰₋₀.⁷² 및 log(φ*) = −3.54⁺⁰.⁴⁸₋₀.⁴⁵이며, 최근의 빈 필드 결과와 일치하지만 더 어두운 magnitude까지 연장된다.
• z≈7에서의 UV 빛 밀도는 log(ρ_UV) = 26.2 ± 0.13 erg s⁻¹ Hz⁻¹ Mpc⁻³로 측정되었으며, 이는 f_esc > 10–15%일 경우 재이온화를 유지하는 데에 충분하다.
• z≈8에서는 M_UV = −18 이하에서 UV LF가 잘 제약되지 않았으며, 어두운 구간에 두 개의 은하만 검출되었지만, 이 데이터는 이전 연구와 일치한다.
• 렌즈 확대 효과와 원천 평면에서의 완전성 시뮬레이션의 조합은, 높은 확대율이지만 효과적인 부피가 작은 클러스터 중심부에서도 어두운 은하의 탐지 및 밝기 보정을 신뢰성 있게 가능하게 한다.