[논문 리뷰] Properties of z~3-6 Lyman break galaxies. II. Testing star formation histories and the SFR-mass relation with ALMA and near-IR spectroscopy

D. Schaerer, S. de Barros외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 12.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 71인용 수 53

한 줄 요약

이 연구는 SED 피팅에 이완가스 방출 효과와 ALMA/근적외선 스펙트럼 예측을 포함하여 z~3–6 라이만 브레이크은하(Lyman break galaxies, LBGs)의 은하 형성 역사를 시험한다. 변수적인 은하 형성 역사(특히 상승 또는 감소하는 역사)는 표준 일정한 형성률 모델에 비해 유의미하게 낮은 질량, 높은 형성률, 그리고 SFR–질량 관계에서 더 큰 산란을 유도하며, 일반적인 SFR 보정 방법에 도전하고 고적색도 은하의 진화를 정확히 측정하기 위해 다중 파장 제약 조건이 필요하다는 점을 강조한다.

ABSTRACT

We examine the dependence of derived physical parameters of distant Lyman break galaxies (LBGs) on the assumed star formation histories (SFHs), their implications on the SFR-mass relation, and we propose observational tests to better constrain these quantities. We use our SED-fitting tool including nebular emission to analyze a large sample of LBGs, assuming five different star formation histories, extending our first analysis of this sample (de Barros et al. 2012, paper I). In addition we predict the IR luminosities consistently with the SED fits. Compared to "standard" SED fits assuming constant SFR and neglecting nebular lines, assuming variable SFHs yield systematically lower stellar masses, higher extinction, higher SFR, higher IR luminosities, and a wider range of equivalent widths for optical emission lines. Exponentially declining and delayed SFHs yield basically identical results and generally fit best. Exponentially rising SFHs yield similar masses, but somewhat higher extinction. We find significant deviations between the derived SFR and IR luminosity from the commonly used SFR(IR) or SFR(IR+UV) calibration, due to differences in the SFHs and ages. Models with variable SFHs, favored statistically, yield generally a large scatter in the SFR-mass relation. We show that the true scatter in the SFR-mass relation can be significantly larger than inferred using SFR(UV) and/or SFR(IR). Different SFHs, and hence differences in the derived SFR-mass relation and in the specific star formation rates, can be tested/constrained observationally with future IR observations with ALMA. Measurement of emission lines, such as Halpha and [OII]3727, can also provide useful constraints on the SED models. We conclude that our findings of a large scatter in SFR-mass at high-z and an increase of the specific star formation rate above z>~3 (paper I) can be tested observationally. (abriged)

연구 동기 및 목표

• 고적색도 라이만 브레이크 은하(Lyman break galaxies, LBGs)에서 다양한 은하 형성 역사(SFHs)가 유도하는 물리적 파라미터에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• z~3–6에서 다양한 SFH 가정 하에 SFR–질량 관계와 특정 은하 형성률(sSFR) 진화의 강건성을 시험하기 위해.
• SED 피팅의 고유성과 해소되지 않은 딜레마를 줄이기 위해 SFH를 제약할 수 있는 관측 진단 도구(예: 적외선 복사율과 발광선 등가폭)를 규명하기 위해.
• 비표준 SFH를 가진 은하에 적용되었을 때 표준 SFR 보정 방법(예: SFR(IR) 및 SFR(IR+UV))의 신뢰성 평가하기 위해.
• 미래 ALMA 및 근적외선 스펙트럼 관측에서 경쟁적인 SFH 모델을 구별할 수 있는 관측 가능 서명을 예측하기 위해.

제안 방법

• 이완가스 방출 효과를 포함한 SED 피팅을 사용하며, 다섯 가지 SFH 모델을 적용: 일정, 지수 감소, 지연, 지수 상승, 변수 시간 상수 역사를 가진 역사.
• 먼지 흡수와 SFH에 의존하는 연령에 따라 일관되게 IR 복사율(L_IR)을 예측.
• SFH 유형 간 SFR, 별성 질량, 투명도, 발광선 등가폭(예: Hα, [O II] λ3727)을 비교.
• SED 유도 SFR와 IR+UV 복사율에서 유추된 SFR를 비교하여 표준 SFR 보정 방법(예: Kennicutt 1998)의 편차를 정량화.
• B-드롭 및 i-드롭 LBGs에 대해 UV magnitude와 SFH에 따라 ALMA에서 관측 가능한 IR 유도 및 발광선 강도를 예측.
• 나이 우선 조건(t > 50 Myr)과 투명도 법칙이 SFR–질량 관계의 산란에 미치는 영향 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 은하 형성 역사(예: 상승, 감소, 일정)가 z~3–6 LBGs의 유도된 별성 질량, SFR, 먼지 투명도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비일정한 SFH를 가진 은하에 적용되었을 때 표준 SFR 보정 방법(SFR(IR) 및 SFR(IR+UV))이 진정한 SFR를 체계적으로 과대 또는 과소 평가하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 변수적인 SFH 하에서 SFR–질량 관계의 기대 산란은 얼마나 되며, 표준 SED 피팅에서 유도된 산란과 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 미래 ALMA 관측을 통해 적외선 복사율과 휴지대 광학 발광선(예: Hα, [O II])을 통해 경쟁적인 SFH 모델을 구별할 수 있는가?
• RQ5 예측된 발광선 등가폭(예: W_Hα)은 SFH와 은하 질량에 따라 어떻게 변화하며, 이를 관측 진단 도구로 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 특히 지수 감소 또는 지연된 역사 모델은 표준 일정한 형성률 모델에 비해 체계적으로 낮은 별성 질량과 높은 SFR을 유도한다.
• 지수 상승 SFH는 유사한 질량을 유도하지만 감소력에 비해 더 높은 투명도를 유도하여 더 높은 IR 복사율과 SFR을 초래한다.
• 일정한 형성률과 이완가스 방출선을 忽시한 표준 SED 피팅은 변수적인 SFH에 비해 별성 질량을 약 2–3배 과대평가하고, SFR과 IR 복사율을 과소평가한다.
• 변수적인 SFH를 사용할 경우 SFR–질량 관계는 특히 나이 우선 조건이 없을 때 유의미하게 더 큰 내재 산란을 보이며, 고적색도에서 주요 시퀀스가 탄탄하다는 가정에 도전한다.
• SED 모델에서 예측된 IR 복사율은 SFH에 따라 약 2–3배의 변화를 보이며, 이는 ALMA 관측을 통해 다양한 SFH를 구별할 수 있음을 시사한다.
• Hα 및 [O II] λ3727 등가폭은 SFH에 따라 다른 분포를 보이며, 저질량 은하에서 더 높은 EW를 보이며, W_Hα와 sSFR 사이에 반비례 관계가 존재하여 근적외선 스펙트럼 관측에 대한 검증 가능한 예측을 제공한다.