[논문 리뷰] Starburst Intensity Limit of Galaxies at z~5-6

Nimish P. Hathi, Sangeeta Malhotra외 1명|arXiv (Cornell University)|2007. 09. 04.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 35인용 수 47

한 줄 요약

이 연구는 허블 초초고해상도장면(HUDF) 데이터와 GRAPES 조사에서 확보한 스펙트럼적 적색편이를 이용해 z~5–6에서 은하의 성폭발(은하별 별 형성) 강도의 한계를 측정한다. 결과적으로 은하별 별 형성 강도의 최대 표면 빛의 세기는 우주 시간 전반에 걸쳐 일정하다는 것을 발견하였으며, 이는 별 형성 강도에 대한 보편적인 물리적 한계를 시사한다. 크기와 먼지 함량의 약간의 진화가 관측되었으며, 이는 표준 우주론 모델을 지지한다.

ABSTRACT

The peak star formation intensity in starburst galaxies does not vary significantly from the local universe to redshift z~6. We arrive at this conclusion through new surface brightness measurements of 47 starburst galaxies at z~5-6, doubling the redshift range for such observations. These galaxies are spectroscopically confirmed in the Hubble Ultra Deep Field (HUDF) through the GRism ACS program for Extragalactic Science (GRAPES) project. The starburst intensity limit for galaxies at z~5-6 agree with those at z~3-4 and z~0 to within a factor of a few, after correcting for cosmological surface brightness dimming and for dust. The most natural interpretation of this constancy over cosmic time is that the same physical mechanisms limit starburst intensity at all redshifts up to z~6 (be they galactic winds, gravitational instability, or something else). We do see two trends with redshift: First, the UV spectral slope of galaxies at z~5-6 is bluer than that of z~3 galaxies, suggesting an increase in dust content over time. Second, the galaxy sizes from z~3 to z~6 scale approximately as the Hubble parameter 1/H(z). Thus, galaxies at z~6 are high redshift starbursts, much like their local analogs except for slightly bluer colors, smaller physical sizes, and correspondingly lower overall luminosities. If we now assume a constant maximum star formation intensity, the differences in observed surface brightness between z~0 and z~6 are consistent with standard expanding cosmology and strongly inconsistent with tired light model.

연구 동기 및 목표

• 깊은 허블 이미징과 스펙트럼적 적색편이를 이용해 고적색편이 은하(z~5–6)에서의 성폭발 강도 한계를 측정한다.
• 지역 성폭발 은하에서 관측된 최대 별 형성 강도가 초기 우주 시기에도 유지되는지 테스트한다.
• z~3에서 z~6까지 은하의 크기와 UV 스펙트럼 기울기(β)의 진화를 조사한다.
• 관측된 표면 빛 세기의 진화가 표준 팽창 우주 모델과 대비되는 대안적 피로한 우주론(티어드 라이트 모델)과의 일관성을 평가한다.
• 관측된 색 조건의 추세가 먼지 흡수 또는 본질적인 물리적 과정에 의해 유도되는지 규명한다.

제안 방법

• z~5–6에서 스펙트럼적으로 확인된 47개 성폭발 은하에 대해 허블 초초고해상도장면(HUDF)에서 확보한 깊은 ACS F435W, F606W, F775W, F850LP 이미징을 확보한다.
• Meurer 등(1997)의 방법을 적용하여 유효 표면 빛 세기를 측정하며, 이는 총 빛의 절반을 포함하는 개구부 내 평균 밝기로 정의된다.
• Weedman 등(1998)의 픽셀 기반 방법을 적용하여 각 은하의 가장 밝은 픽셀에서 피크 표면 빛 세기를 추정한다.
• 휴대형 UV 색소와 항성 집단 합성 모델(STARBURST99)을 사용해 천체론적 표면 빛 세기 감쇠와 먼지 흡수를 보정한다.
• 표면 빛 세기와 크기의 진화를 허블 상수의 역수 H⁻¹(z)와 비교하여 척도 관계를 테스트한다.
• STARBURST99 모델을 사용해 금속성, IMF, 별 형성 역사에 따른 UV 스펙트럼 기울기(β)의 의존성을 분석하고 먼지 효과를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z~0에서 z~6까지 성폭발 은하에서의 최대 별 형성 강도는 금속성과 은하 크기의 차이에도 불구하고 일정한가?
• RQ2 고적색편이 성폭발 은하의 물리적 크기는 우주의 시간에 따라 어떻게 변화하며, H⁻¹(z) 진화를 따르는가?
• RQ3 z~5–6에서 관측된 더 파란 UV 스펙트럼 기울기(β)는 z~3과 비교해 어떻게 설명될 수 있으며, 이는 먼지의 영향인지 본질적인 항성 집단 성질의 변화 때문인가?
• RQ4 표면 빛 세기 측정의 체계적 오차가 성폭발 강도 한계의 일관성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 표면 빛 세기 진화는 표준 팽창 우주 모델을 지지하는가, 아니면 대안적 피로한 우주론(티어드 라이트 모델)을 반박하는가?

주요 결과

• 우주론적 어두워짐과 먼지 흡수 보정 후 z~5–6에서의 성폭발 강도 한계는 z~3–4와 z~0에서의 값과 요인 3 이내로 일치한다.
• z~5–6에서의 은하 크기는 H⁻¹(z)에 근접하게 스케일링되며, 이는 고적색편이 성폭발 은하가 국지적 대안보다 물리적으로 더 작다는 것을 시사한다.
• z~5–6에서의 평균 UV 스펙트럼 기울기(β)는 β = –1.74 ± 0.35이며, z~3에서의 β = –1.1 ± 0.2보다 유의미하게 더 파랗다. 이는 저적색편이에서 먼지 함량이 증가했음을 나타낸다.
• 관측된 β의 진화는 금속성이나 IMF의 변화가 아니라 시간이 지남에 따라 증가하는 먼지 흡수에 의해 가장 잘 설명되며, STARBURST99 모델링을 통해 입증되었다.
• z~0에서 z~6까지 표면 빛 세기의 일관성은 표준 팽창 우주 모델을 강력히 지지하며, 피로한 우주론 가설을 배제한다.
• 더 작은 물리적 크기와 낮은 빛의 세기에도 불구하고 고적색편이 성폭발 은하는 국지적 유사체와 동일한 피크 표면 빛 세기를 유지한다. 이는 별 형성 강도에 대한 보편적인 물리적 상한선이 존재함을 시사한다.