[논문 리뷰] Star Formation at z~6: i-dropouts in the ACS GTO fields

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth외 34명|arXiv (Cornell University)|2003. 06. 11.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 1인용 수 67

한 줄 요약

이 연구는 깊은 허블 ACS 및 지상 기반 적외선 이미징을 통해 z~6에서 23개의 i-드롭아웃 은하를 특정하여, 휴대형 우주선 UV 복사 밀도를 $7.2 \pm 2.5 \times 10^{25}\ \text{ergs s}^{-1}\text{Hz}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$로 추정하고, 별 형성률 밀도를 $0.0090 \pm 0.0031\ \text{M}_\odot\ \text{yr}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$로 산정하여, z~3에서 z~6로의 UV 복사 밀도가 39% 감소함을 시사하며, 이는 중간 정도의 진화를 반영하고 있으며, 간접적으로 宇宙 재이온화에 기여할 수 있음.

ABSTRACT

Using an i-z dropout criterion, we determine the space density of z~6 galaxies from two deep ACS GTO fields with deep optical-IR imaging. A total of 23 objects are found over 46 arcmin^2, or ~0.5 objects/arcmin^2 down to z~27.3 (6 sigma; all AB mag) (including one probable z~6 AGN). Combining deep ISAAC data for our RDCS1252-2927 field (J~25.7 and Ks~25.0 (5 sigma)) and NICMOS data for the HDF North (JH~27.3 (5 sigma)), we verify that these dropouts have flat spectral slopes. i-dropouts in our sample range in luminosity from ~1.5 L* (z~25.6) to ~0.3 L* (z~27.3) with the exception of one very bright candidate at z~24.2. The half-light radii vary from 0.09" to 0.29", or 0.5 kpc to 1.7 kpc. We derive the z~6 rest-frame UV luminosity density using three different procedures, each utilizing simulations based on a CDF South V dropout sample. First, we compare our findings with a no-evolution projection of this V-dropout sample. We find 23+/-25% more i-dropouts than we predict. Adopting previous results to z~5, this works out to a 20+/-29% drop in the luminosity density from z~3 to z~6. Second, we use these same V-dropout simulations to derive a selection function for our i-dropout sample and compute the UV-luminosity density (7.2+/-2.5 x 10^25 ergs/s/Hz/Mpc^3 down to z~27). We find a 39+/-21% drop over the same redshift range. This is our preferred value and suggests a star formation rate of 0.0090+/-0.0031 M_sol/yr/Mpc^3 to z~27, or ~0.036+/- 0.012 M_sol/yr/Mpc^3 extrapolating the LF to the faint limit. Third, we follow a very similar procedure, but assume no incompleteness, finding a luminosity density which is ~2-3X lower. This final estimate constitutes a lower limit. All three estimates are within the canonical range of luminosity densities necessary for reionization of the universe at this epoch. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 깊은 허블 ACS GTO 필드에서 i-드롭아웃 선택 기반으로 z~6 고적색우주 은하의 공간 밀도 및 특성을 측정하기 위해.
• z~3에서 z~6로의 휴대형 우주선 UV 복사 밀도 및 별 형성률 밀도의 진화를 평가하기 위해.
• 다중 파장 이미징 및 시뮬레이션을 활용하여 이러한 은하가 간접적으로 우주 재이온화에 기여하는 정도를 평가하기 위해.
• empirical 및 시뮬레이션 방법을 사용하여 드롭아웃 선택의 완전성 및 오염 영향을 보정하기 위해.

제안 방법

• 깊은 ACS GTO 필드에서 총 면적이 46 제곱분인 두 지역에서 i-z 드롭아웃 기준을 적용하여 z~6 후보를 특정함.
• 깊은 ACS i- 및 z-대역 이미징과 지상 기반의 ISAAC J 및 Ks, NICMOS J110 및 H160 데이터를 융합하여 적색편이 및 스펙트럼 기울기를 확인함.
• CDF 남부의 z~5 V606-드롭아웃 샘플을 기반으로 한 시뮬레이션을 통해 선택 함수를 추정하고, 완전성 결손을 보정함.
• Steidel 등 (1999)의 V_eff(m) 공식의 일반화된 형태를 적용하여 UV 복사 밀도 함수를 유도하고, z_AB ~ 27.0까지 통합함.
• 복사 밀도를 삼중 방법으로 추정함: (1) 비진화 모델과 직접 비교, (2) 복사 밀도 진화 보정, (3) 완전성 결손이 없다는 가정 하에 하한선 확보.
• 표준 관계(예: Madau 등 1998)를 사용하여 복사 밀도를 별 형성률 밀도로 변환하고, 어두운 극단에서의 행동을 Schechter 함수 외삽을 통해 추정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 깊은 허블 ACS GTO 필드에서 z~6의 i-드롭아웃 은하의 공간 밀도는 얼마인가요?
• RQ2 z~6에서의 휴대형 우주선 UV 복사 밀도는 z~3와 비교해 어떻게 되며, 이는 간접적으로 우주 재이온화에 어떤 함의를 갖는가요?
• RQ3 선택 효과 및 표면 밝기 분포는 z~6 드롭아웃 샘플의 완전성과 신뢰성에 어느 정도 영향을 미치는가요?
• RQ4 z~6에서 추정되는 별 형성률 밀도는 얼마이며, 이는 이전에 보고된 저적색우주에서의 추정치와 어떻게 비교되는가요?

주요 결과

• z~6에서 i-드롭아웃 은하의 공간 밀도는 z_AB ~ 27.3(6σ)까지의 한계에서 0.5 ± 0.1 개체/제곱분으로 측정되었으며, 완전성 보정 후 0.5 ± 0.2 제곱분⁻¹로 수정됨.
• z~6에서의 휴대형 우주선 UV 복사 밀도는 $7.2 \pm 2.5 \times 10^{25}\ \text{ergs s}^{-1}\text{Hz}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$로 추정되었으며, z~3에서 z~6로의 39% ± 21% 감소를 나타냄.
• z~6에서의 별 형성률 밀도는 $0.0090 \pm 0.0031\ \text{M}_\odot\ \text{yr}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$이며, 어두운 극단에 대한 Schechter 외삽을 통해 $\sim 0.036 \pm 0.012\ \text{M}_\odot\ \text{yr}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$로 추정됨.
• 복사 밀도 추정치는 UV 복사의 탈출율 및 H I 응집 인자에 대한 일반적인 가정 하에 재이온화에 기여할 수 있는 범위 내에서 일관됨.
• 샘플에는 하나의 확률적 z~6 AGN이 포함되어 있으며, i-드롭아웃은 z~6에서 별 형성 은하와 일치하는 평탄한 스펙트럼 기울기를 보임.
• 세 번째 방법(완전성 결손이 없다는 가정)은 하한선으로 $2.7 \pm 0.6 \times 10^{25}\ \text{ergs s}^{-1}\text{Hz}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$를 제공하며, 유사 복사 밀도에서 Steidel 등 (1999)의 값보다 유의미하게 낮음.