[논문 리뷰] Lyman Break Galaxies at z>4 and the Evolution of the UV Luminosity Density at High Redshift

Charles C. Steidel, Kurt L. Adelberger외 3명|arXiv (Cornell University)|1998. 11. 25.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 58인용 수 945

한 줄 요약

이 연구는 z > 4에서의 라이만 브레이크은하에 대한 지상 기반 조사로, 광도 선택 및 스펙트로스코픽 적색편이를 사용하여 z ~ 3에서의 적외선 복사 밀도와 비교한다. z ~ 4와 z ~ 3 사이에서 적외선 복사 밀도에 유의미한 감소가 없음을 발견하여, 먼지 보정을 적용할 경우 z > 1에서 별 형성 발광 밀도가 거의 일정할 수 있음을 시사하며, 별 형성 활동에 날카로운 피크가 있다는 개념에 도전한다.

ABSTRACT

We present initial results of a survey for star-forming galaxies in the redshift range 3.8 < z < 4.5. This sample consists of a photometric catalog of 244 galaxies culled from a total solid angle of 0.23 square degrees to an apparent magnitude of I_{AB}=25.0. Spectroscopic redshifts in the range 3.61 < z < 4.81 have been obtained for 48 of these galaxies; their median redshift is <z>=4.13. Selecting these galaxies in a manner entirely analogous to our large survey for Lyman break galaxies at smaller redshift (2.7 < z < 3.4) allows a relatively clean differential comparison between the populations and integrated luminosity density at these two cosmic epochs. Over the same range of UV luminosity, the spectroscopic properties of the galaxy samples at z~4 and z~3 are indistinguishable, as are the luminosity function shapes and the total integrated UV luminosity densities (rho_{UV}(z=3)/rho_{UV}(z=4) = 1.1 +/-0.3). We see no evidence at these bright magnitudes for the steep decline in the star formation density inferred from fainter photometric Lyman-break galaxies in the Hubble Deep Field (HDF). If the true luminosity density at z~4 is somewhat higher than implied by the HDF, as our ground-based sample suggests, then the emissivity of star formation as a function of redshift is essentially constant for all z>1 once internally consistent corrections for dust are made. This suggests that there is no obvious peak in star formation activity, and that the onset of substantial star formation in galaxies occurs at z > 4.5. [abridged abstract]

연구 동기 및 목표

• 대규모로 스펙트로스코픽으로 확인된 라이만 브레이크은하 샘플을 사용하여 z ~ 4에서의 적외선 복사 밀도를 측정하기 위해.
• Hubble Deep Field(HDF)에서 z ~ 4에서 관측된 적외선 복사 밀도 감소가 실제로 존재하는지, 또는 표본 변동성 때문인지 테스트하기 위해.
• 동일한 선택 기준을 사용하여 z ~ 4와 z ~ 3에서의 빛의 분포 함수 및 스펙트로스코픽 성질을 직접 비교하여 차별 분석을 수행하기 위해.
• 스펙트로스코픽 제약 조건을 활용하여 z > 4 LBG의 색상 선택 기준을 개선하여 오염을 최소화하고 완전성을 극대화하기 위해.

제안 방법

• 0.23 제곱도의 영역에서 넓은 대역 필터(IAB, B, V, R)를 사용하여 라이만 브레이크은하 후보를 광도 선택하고, IAB = 25.0까지의 감도를 확보한다.
• Keck 10m 망원경의 저해상도 이미징 스펙트로그래프를 사용하여 48개의 은하에 대해 스펙트로스코픽 적색편이를 확인한다.
• 동일한 선택 기준을 사용하여 z ~ 4(⟨z⟩ = 4.13)와 z ~ 3(⟨z⟩ = 3.04) 샘플 간의 빛의 분포 함수 및 적외선 복사 밀도를 직접 비교한다.
• 약한 끝 부분 기울기와 표본 변동성을 평가하기 위해, 향상된 효과적 조사 부피 및 스펙트럼 에너지 분포를 고려하여 HDF 데이터를 재분석한다.
• 먼지 흡수(평균 1500 Å에서 1.6 mag)와 광도 측정 불확실성을 포함한 LBG 색상 분포 모델링을 통해 선택 함수를 정밀화한다.
• 일관된 먼지 보정을 적용하여 적색편이 간의 별 형성 발광 밀도를 비교하며, 균일한 먼지 효과를 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HDF 광도 적색편이 연구에서 제기된 linh 4에서의 적외선 복사 밀도가 z ~ 3보다 유의미하게 낮은가?
• RQ2 HDF에서 z ~ 4 라이만 브레이크은하의 명백한 부족은 내재된 진화가 아니라 표본 변동성 때문일 정도로 큰가?
• RQ3 z ~ 4 LBG의 스펙트로스코픽 성질(예: 라이만-알파의 흡수/방출)과 빛의 분포 함수는 z ~ 3의 경우와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 먼지 흡수의 관측된 적외선 복사 밀도에 대한 영향은 무엇이며, 이는 유추된 별 형성 역사를 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 z ~ 4에서의 빛의 분포 함수는 z ~ 3보다 더 급격한 약한 끝 부분 기울기를 보이는가, 아니면 관측 편향 때문인가?

주요 결과

• z ~ 4(⟨z⟩ = 4.13)에서의 적외선 복사 밀도는 z ~ 3(⟨z⟩ = 3.04)와 일치하며, ρUV(z=3)/ρUV(z=4) = 1.1 ± 0.3의 비율을 보여 유의미한 감소가 없음을 시사한다.
• z ~ 4와 z ~ 3 LBG의 스펙트로스코픽 성질은 서로 구별할 수 없으며, 약 50%의 물체에서 라이만-알파가 흡수 상태에 있으며, 유사한 복귀 기준 적외선 색상도 공유한다.
• z ~ 3 빛의 분포 함수의 약한 끝 부분 기울기는 기존 추정보다 더 급격하며(α = −1.60 ± 0.13), 감도 한계 이하에서 복사 밀도의 대부분이 차지할 가능성이 있음을 암시한다.
• HDF의 표본 변동성이 충분히 크기 때문에 z ~ 4 LBG의 명백한 부족을 설명할 수 있으며, 관측된 차이가 통계적으로 유의미하지 않다.
• 일관된 먼지 보정(1500 Å에서 평균 흡수 약 1.6 mag)을 적용한 후, z > 1에서 단위 공변 부피당 별 형성 발광 밀도는 거의 평탄하게 유지되며, 별 형성 활동에 명확한 피크가 없다는 것을 시사한다.
• z ~ 4와 z ~ 3에서의 빛의 분포 함수 유사성은 별 형성의 진화 방식이 빛나는 AGN 밀도 진화 방식과 본질적으로 다름을 암시한다.