[논문 리뷰] Low-luminosity galaxies in the early universe have observed sizes similar to star cluster complexes

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 15.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 159인용 수 34

한 줄 요약

이 연구는 허블 프론티어 필드 데이터를 사용하여 z ≈ 6–8의 렌즈 효과를 받은 낮은 빛줄기 밀도를 가진 은하들을 분석하여, 이들의 크기와 빛줄기 밀도를 근처의 성간 별집단 복합체와 비교한다. 연구 결과, 가장 작고 어두운 고적색 우주 은하들은 크기(10–50 pc)와 자외선 등급이 30도르라디우스와 같은 거대한 별집단 복합체와 유사한 것으로 나타나, 이들은 원시 구형별집단을 포함할 수 있음을 시사한다; 이러한 결과들은 고도로 질량 손실이 일어나는 시나리오(ξ = 10)를 배제하는 등 형성 모델을 제약하며, 초기 우주에서 진정으로 형성 중인 구형별집단을 감지할 수 있는 시점에 가까이 도달했음을 시사한다.

ABSTRACT

We compare the sizes and luminosities of faint $z=6$-8 galaxies magnified by the Hubble Frontier Fields (HFF) clusters with star-forming regions, as well as more evolved objects, in the nearby universe. Our high-redshift comparison sample includes 333 z=6-8 galaxies, for which size measurements were made as part of a companion study where lensing magnifications were estimated from various public models. Accurate size measurements for these sources are complicated by the lens model uncertainties, but other results and arguments suggest that faint galaxies are small, as discussed in a companion study. The measured sizes for sources in our comparison sample range from <50 pc to ~500 pc. For many of the lowest luminosity sources, extremely small sizes are inferred, reaching individual sizes as small as 10-30 pc, with several sources in the 10-15 pc range with our conservative magnification limits. The sizes and luminosities are similar to those of single star cluster complexes like 30 Doradus in the lower-redshift universe and -- in a few cases -- super star clusters. The identification of these compact, faint star-forming sources in the z~6-8 universe also allows us to set upper limits on the proto-globular cluster LF at z~6. By comparisons of the counts and sizes with recent models, we rule out (with some caveats) proto-globular cluster formation scenarios favoring substantial (xi=10) post-formation mass loss and set useful upper limits on others. Our size results suggest we may be very close to discovering a bona-fide population of forming globular clusters at high redshift.

연구 동기 및 목표

• 어두운, 렌즈 효과를 받은 z ≈ 6–8 은하들의 크기와 빛줄기 밀도를 30도르라디우스와 같은 근처의 천체계(예: 별집단 복합체 및 원시 구형별집단)와 비교하기.
• 가장 작고 어두운 고적색 우주 은하들이 원시 구형별집단 또는 별집단 복합체일 수 있는지 평가하기.
• 관측된 수와 크기를 사용하여 고적색 우주 원시 구형별집단의 빛줄기 밀도 함수 및 형성 모델을 제약하기.
• 렌즈 효과 모델의 불확실성으로 인한 크기 측정의 신뢰성과 형성 중인 구형별집단을 식별하는 데 미치는 영향을 평가하기.

제안 방법

• 심층 HST 이미징과 공개된 매개변수 기반 렌즈 효과 모델을 사용하여, 허블 프론티어 필드 내 333개의 z ≈ 6–8 은하들로부터 유도된 크기 및 빛줄기 밀도 측정치를 활용.
• v3/v4 렌즈 효과 모델에서 유도된 중앙선형 확대율 및 비틀림 보정(µ 및 S)을 적용하여 관측된 각도 크기를 물리적 크기로 변환.
• 관측된 크기와 등급을 근처의 별집단 복합체(예: 30도르라디우스) 및 진화된 천체계와 비교하여 유사체 식별.
• 어두운 천체들의 관측된 밀도 및 크기 분포를 사용하여, z ≈ 6에서의 원시 구형별집단 빛줄기 밀도 함수에 대한 상한선 유도.
• E-MOSAICS, Boylan-Kolchin(2017), Pozzetti 등(2019)의 이론 모델과의 일치성을 검토하여 형성 시나리오를 제약.
• 렌즈 효과 모델의 불확실성을 고려하여 보수적인 확대율 한계(선형 µ ≤ 30, 총합 µ ≤ 50)를 적용하여 가장 어두운 천체들에 대한 크기 추정에 미치는 영향을 반영.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가장 작고 어두운 z ≈ 6–8 은하들이 30도르라디우스와 같은 근처의 별집단 복합체와 유사한 물리적 크기와 빛줄기 밀도를 가지는가?
• RQ2 고적색 우주의 관측된 크기 및 빛줄기 밀도 분포는 원시 구형별집단 형성 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ3 어두운 렌즈 효과를 받은 은하들의 관측된 수와 크기가 고적색 우주 원시 구형별집단의 빛줄기 밀도 함수에 어떤 제약을 둔다?
• RQ4 매우 높은 형성 후 질량 손실(예: ξ = 10)을 포함하는 극단적 형성 시나리오는 현재 관측 결과와 일치하는가?
• RQ5 현재 허블 데이터 기반으로 초기 우주에서 진정으로 형성 중인 구형별집단을 감지할 수 있는 시점에 도달했는가?

주요 결과

• 가장 어두운 z ≈ 6–8 은하들은 10–30 pc의 반광반경을 가지며, 보수적인 확대율 한계 하에서 몇몇 천체들은 10–15 pc 범위에 속함.
• 이 낮은 빛줄기 밀도 은하들의 크기와 빛줄기 밀도는 30도르라디우스와 같은 근처의 별집단 복합체(반광반경 약 100 pc)와 통계적으로 구별되지 않음.
• 샘플 내 23개의 천체가 중앙선 크기 ≤40 pc이며, 3개는 가능성이 20 pc 이하로, 이는 초거대 별집단 및 원시 구형별집단의 크기 범위에 속함.
• 콤팩트하고 어두운 천체의 관측된 수는 E-MOSAICS 모델의 예측과 일치하며, 이 모델은 HFF 영역 내 약 1.5개의 원시 구형별집단(−17.5 mag)과 약 1개(−16.5 mag)를 예측함.
• 높은 형성 후 질량 손실(ξ = 10)을 포함하는 원시 구형별집단 형성 모델은 관측 결과와 일치하지 않으며, 이는 관측된 것보다 훨씬 더 많은 탐지 가능한 천체를 만들어내기 때문임.
• 데이터는 우리가 초기 우주에서 진정으로 형성 중인 구형별집단을 식별하는 데 매우 가까이 다가섰음을 시사하며, 일부 후보들은 이미 모델이 예측한 것과 동일한 빛줄기 밀도 범위(−15 mag 이하)에서 탐지됨.