[논문 리뷰] GALAXIES AT Z 6: THE REST-FRAME UV LUMINOSITY FUNCTION AND LUMINOSITY DENSITY FROM 506 UDF, UDF-PS, AND GOODS I-DROPOUTS

M. Franx|arXiv (Cornell University)|2005. 09. 21.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 HUDF, GOODS 및 UDF-Parallel 영역의 깊은 허블 우주망원경 데이터를 사용하여 z ≈ 6에서 506개의 i-dropout 은하에 대한 최초의 종합적 분석을 제시한다. Schechter 파rameter M∗ = 20.20 ± 0.35, φ∗ = 1.76⁺¹.¹⁶₋₀.⁷¹ × 10⁻³ Mpc⁻³, α = 1.74 ± 0.24를 포함한 강력한 복귀 프레임 UV 빛의 함수를 유도하며, z ≈ 3에서의 상당한 진화를 보이며, M∗가 0.7 ± 0.4 mag 밝아졌고, z ≈ 6에서의 빛 밀도는 z ≈ 3의 68%에 불과하여 별 형성률이 낮고 간성 재이온화에 대한 강력한 함의를 지닌다.

ABSTRACT

A very large sample of 506 i-dropouts (z � 6 galaxies) have been obtained from all the deep, wide- area HST ACS fields: HUDF, GOODS (enhanced by the extensive SNe search data - to be the v2.0 GOODS release), and UDF-Parallel ACS fields (UDF-Ps). With our selection criteria, we show that the contamination levels are . 8% (i.e., & 92% or � 465 are at z � 6). This is the first comprehensive quantitative analysis of such a large sample at z � 6, only 0.9 Gyr from recombination, and is used to establish optimal measures of both the luminosity function and the luminosity density at z � 6, and their evolution relative to the z � 3 dropouts. A total of 122 i-dropouts ((i775 z850)AB > 1.3, (V606 z850)AB > 2.8) are detected in the HUDF to z850,AB � 29.5 (the 8� limit). Fits to the optical- infrared (ACS/NICMOS) colors of the HUDF dropout galaxies give mean UV slopes of � = 1.8. This is bluer than the dropout population at z � 3, suggesting lower dust content at z � 6. The sizes of the i-dropouts in our samples are small, with anL ∗ galaxy having rhl � 0.8 kpc or � 0.14 '' . There is clear size evolution, with a redshift dependence between z � 6 and z � 2.5 of (1+z) −1.1±0.3 for fixed luminosity. Significant differences were found in the surface density of i-dropouts between the fields, as expected from cosmic variance. Great care was taken to normalize out these differences. Completeness, flux, and contamination corrections are performed in a very systematic and quantitative way for the three data sets. After establishing and performing these corrections, we combine the data to derive a rest-frame continuum UV (� 1350u) luminosity function at z � 6. The best-fit Schechter parameters are M ∗ 1350,AB = 20.20±0.35, � = 1.74±0.24, and � ∗ = 1.76 +1.16 −0.71 ×10 −3 Mpc −3 . This luminosity function extends to M1350,AB � 17.5 (0.04 L ∗=3 ), the faintest limit yet reached for galaxies at high redshifts z > 2. We find strong evidence for evolution of the luminosity function between z � 6 and z � 3. The most likely way of accommodating this evolution is through a brightening (0.7 ± 0.4 mag) of M ∗ (at 82% confidence) though less brightening is required if the faint-end slopechanges to � � 1.9 (from 1.6 at z � 3). Scenarios, such as density evolution (� ∗ ), which do not include this evolution in M ∗ orare ruled out at 99.9999% confidence - demonstrating quite significantly that galaxies at z � 6 are lower in luminosity than galaxies at z � 3. Integrated down to 0.04L ∗=3, the rest-frame continuum UV luminosity density (unextincted star formation rate) at z � 6 is a very well-determined 1.46±0.14×10 26 ergs/s/Hz/Mpc 3 . Recent determinations of the luminosity density at z � 6 have shown large variations - we identify some of the causes and find that other results are consistent when appropriately corrected. The substantial evolution in the luminosity function is not accompanied by a large change in the luminosity density. The luminosity density at z � 6 (to 0.04L ∗=3 ) is 0.68 ± 0.08× that at z � 3. Accounting for the suggested evolution in dust content over this range indicates that the true evolution is substantially larger than for the unextincted star formation rate, so that the total star formation rate density at z � 6 is just � 0.3× the z � 3 value. Despite large uncertainties in the escape fraction and other assumed quantities, our best-fit UV luminosity function is consistent with z � 6 galaxies providing the necessary UV flux to reionize the universe. Lower luminosity galaxies, in particular, appear to be important for this process. Subject headings: galaxies: evolution — galaxies: high-redshift

연구 동기 및 목표

• 높은 통계적 유의성로 z ≈ 6에서의 복귀 프레임 UV 빛의 함수와 빛 밀도를 측정하기 위해.
• 깊은 HST 영역에서 i-dropout 선택의 오염 및 완전성 수준을 정량화하기 위해.
• 고적색 은하에서의 크기 진화 및 UV 기울기 경향을 평가하기 위해.
• z ≈ 3과의 비교를 통해 z ≈ 6 은하가 간성 재이온화에 미치는 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• HUDF, GOODS 및 UDF-Parallel 영역의 다중 파장 ACS 및 NICMOS 데이터를 사용하여 506개의 i-dropout 은하를 식별하였다.
• 오염을 최소화하고 z ≈ 6의 정확도를 극대화하기 위해 엄격한 색상 및 magnitude 선택 기준( i775−z850 > 1.3, V606−z850 > 2.8)을 적용하였다. 오염율은 8% 미만이었다.
• 세 개의 독립된 데이터 세트에서 완전성, 복사량, 오염에 대한 체계적 보정을 수행하여 강력한 통합을 가능하게 하였다.
• 관측된 광학-적외선 색상을 바탕으로 평균 UV 기울기(⟨β⟩ = −1.8)를 유도하였으며, 이는 낮은-dust 함량을 시사한다.
• Schechter 함수를 사용하여 복귀 프레임 UV 빛의 함수를 피팅: ϕ(L)dL = ϕ∗(L/L∗)α exp(−L/L∗)d(L/L∗), M∗, α, φ∗를 자유 매개변수로 설정하였다.
• 우주적 변동성을 고려하기 위해 영역 간 차이를 정규화하고, 먼지 및 완전성 보정 후 빛 밀도를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 6에서의 복귀 프레임 UV 빛의 함수는 무엇이며, z ≈ 3의 함수와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 z ≈ 6 은하의 빛과 크기는 z ≈ 3과 비교해 얼마나 진화하는가?
• RQ3 z ≈ 6 은하가 전체 UV 빛 밀도와 간성 간성 매질의 재이온화에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ4 z ≈ 6 은하의 먼지 함량과 UV 기울기는 z ≈ 3과 비교해 어떻게 다른가? 이는 먼지 흡수 및 별 형성률에 어떤 함의를 지닌다?
• RQ5 관측된 z ≈ 6 빛의 함수는 우주의 재이온화에 필요한 UV 복사량을 충족시키는가?

주요 결과

• z ≈ 6에서의 복귀 프레임 UV 빛의 함수는 Schechter 파rameter M∗ = 20.20 ± 0.35, α = 1.74 ± 0.24, φ∗ = 1.76⁺¹.¹⁶₋₀.⁷¹ × 10⁻³ Mpc⁻³로 가장 잘 맞는다.
• 빛의 함수는 M1350,AB ≈ 17.5 (0.04 L∗=3)까지 연장되며, 이는 z > 2 은하에서 도달한 가장 희미한 한계이다.
• M∗가 z ≈ 3에서 z ≈ 6로 갈수록 0.7 ± 0.4 mag 밝아졌고, 이는 82% 신뢰도에서 강력한 진화 증거이다.
• z ≈ 6에서의 빛 밀도(0.04L∗=3 기준)는 1.46 ± 0.14 × 10²⁶ erg/s/Hz/Mpc³ 또는 z ≈ 3 값의 68% ± 8%이다.
• 먼지 진화 보정 후 z ≈ 6의 빛 밀도는 z ≈ 3 값의 약 30%에 불과하여 별 형성률 밀도의 상당한 감소를 시사한다.
• 최적의 피팅 UV 빛의 함수는 z ≈ 6 은하가 우주의 재이온화에 필요한 UV 복사량을 충분히 제공할 수 있음을 일관되게 지지하며, 특히 희미한 은하가 포함된 경우 더욱 그렇다.