[논문 리뷰] The Cosmic Star Formation Rate from the Faintest Galaxies in the Unobservable Universe

Matthew D. Kistler, Hasan Yüksel외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 07.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 7인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 고적색단수의 감마선 폭발(GRB)과 라이만 브레이크은하(LBG) 관측을 통합하여 고적색단수에서의 은하 형성률(SFR) 밀도를 추정한다. M_UV ≈ -10까지의 자외선 휘도 함수를 통합할 경우, z ≈ 8 이하에서 LBG 기반과 GRB 기반 SFR 추정치 간의 모순을 해결함을 보여준다. 또한 SFR 밀도가 z ≈ 11까지 서서히 감소함을 시사하며, 이는 재이온화 기간 동안 관측되지 않은 낮은 빛의 왜소 은하가 다수 존재할 가능성을 시사한다. 이와 같은 은하 형성은 GRB가 이른바 미관측되는 은하 형성의 탐사 수단으로 기능할 수 있음을 의미한다.

ABSTRACT

Observations of high-z galaxies and gamma-ray bursts now allow for empirical studies during reionization. However, even deep surveys see only the brightest galaxies at any epoch and must extrapolate to arbitrary lower limits to estimate the total rate of star formation. We first argue that the galaxy populations seen in LBG surveys yield a GRB rate at z > 8 that is an order of magnitude lower than observed. We find that integrating the inferred UV luminosity functions down to M_UV ~ -10 brings LBG- and GRB-inferred SFR density values into agreement up to z ~ 8. GRBs, however, favor a far larger amount of as yet unseen star formation at z > 9. We suggest that the SFR density may only slowly decline out to z ~ 11, in accord with WMAP and Planck reionization results, and that GRBs may be useful in measuring the scale of this multitude of dwarf galaxies.

연구 동기 및 목표

• 고적색단수에서 라이만 브레이크은하(LBG)와 감마선 폭발(GRB)을 통한 은하 형성률(SFR) 추정치 간의 모순을 해소한다.
• 어두운 magnitude로의 자외선 휘도 함수(LF) 외삽 문제를 다루며, α ≲ -2인 어두운 끝 기울기로 인해 截斷(절단) 조건이 매우 영향을 미친다.
• z > 8에서 관측된 GRB 빈도가 LBG 기반 SFR 추정치와 일치하는지 평가하고, 그렇지 않다면 관측되지 않은 어두운 은하의 존재를 유추한다.
• CMB 재이온화 제약 조건(WMAP 및 Planck)과 일치하는 z ≈ 11까지 서서히 감소하는 SFR 밀도의 의미를 탐색한다.
• 고적색단수에서 왜소 은하의 특징적인 SFR 척도를 규명하는 데 GRB가 얼마나 효과적인 탐사 수단이 될 수 있는지 평가한다. 이는 GRB가 거대하고 수명이 짧은 별과 연관되어 있기 때문이다.

제안 방법

• 낮은 적색단수(z < 4)에서 GRB 빈도의 우주적 진화를 은하 형성률(SFR)과 연관지어 보정하기 위해 최신 Swift GRB 적색단수 및 휘도 데이터(184개 GRB)를 사용한다.
• GRB 빈도를 SFR 밀도와 적색단수에 따라 변하는 별이 GRB를 형성할 확률(ε(z))의 곱으로 모델링하며, 비스듬함(⟨f_beam⟩)과 공동체적 부피(dV/dz)를 고려한다.
• Schechter 함수 피팅을 통해 조정 가능한 magnitude 절단값(예: M_UV = -10)을 사용하여 GRB 기반 SFR 밀도를 LBG 기반 SFR 밀도와 비교한다.
• 고적색단수 LBG 데이터(z ≈ 11 등)에 동일한 SFR 밀도 계산을 적용하고, M_UV ≈ -10을 기준으로 자외선 LF를 어두운 magnitude로 외삽했을 때의 영향을 평가한다.
• z > 8에서 관측된 GRB 빈도를 사용하여 필요한 SFR 밀도를 추정하고, LBG 기반 추정치와 비교함으로써 어두운 은하가 포함되지 않으면 부족함이 드러남을 확인한다.
• 각 GRB가 단일 거대 별이 하나의 은하에서 형성된 것을 추적하므로, 깊은 탐색에서 GRB 위치를 고적색단수에서 일반적인 SFR 은하의 특징 척도를 탐지하는 '단서'로 활용할 수 있음을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 M_UV ≈ -10까지의 관측 한계까지 통합했을 때 z > 8에서 GRB 기반 SFR 밀도가 LBG 기반 값에 못 미치는가?
• RQ2 자외선 휘도 함수를 M_UV ≈ -10까지 통합할 경우, z ≈ 8에서 GRB 기반과 LBG 기반 SFR 밀도 추정치가 얼마나 잘 조율되는가?
• RQ3 z > 8에서 관측된 고적색단수 GRB의 빈도는 재이온화 기간 동안 어두운, L* 이하의 은하가 얼마나 흔한지를 어떻게 시사하는가?
• RQ4 CMB 재이온화 데이터에서 유추된 것처럼 SFR 밀도가 z ≈ 11까지 서서히 감소하는 경향을 보인다면, 이는 일관된가?
• RQ5 GRB가 거대 별과 연관되어 있으므로, 고적색단수에서 왜소 은하의 특징적인 SFR 척도를 탐지하는 데 효과적인 탐사 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• 자외선 휘도 함수를 M_UV ≈ -10까지 통합하면, z ≈ 8 이하에서 GRB 기반과 LBG 기반 SFR 밀도 추정치가 일치하게 되어 이전의 모순이 해결된다.
• z > 8에서 관측된 GRB 빈도는 LBG 기반 SFR 밀도와 일치하지 않으며, 이는 M_UV ≈ -10에서 -15 사이의 어두운 은하 집단이 포함되지 않으면 불가능하다. 이는 자외선 LF의 어두운 끝 기울기가 급격히 기울어져 있음을 시사한다.
• GRB 데이터는 LBG 조사에서 유추된 것보다 z ≳ 9에서 더 많은 관측되지 않은 은하 형성량을 시사하며, 이는 이 적색단수에서 어두운 은하의 수가 더 많다는 것을 의미한다.
• SFR 밀도는 z ≈ 11까지 서서히 감소할 가능성이 높으며, 이는 WMAP에서 유도된 CMB 광학적 깊이(τ = 0.089 ± 0.014)와 재이온화 적색단수(z_reion ≈ 10.6 ± 1.1)와 일치한다. 이는 재이온화와 호환되는 은하 형성 역사에 부합한다.
• z > 8에서 관측된 GRB 빈도는 z ≳ 10에서의 GRB 빈도가 z ≈ 8–9와 비슷할 것임을 시사하며, 이는 곧 곧 탐지 가능하고 매우 중요한 결과가 될 수 있음을 의미한다.
• GRB는 고유한 이점이 있다. 각 GRB는 단일 거대 별이 하나의 은하에서 형성된 것을 추적하므로, 깊은 탐색에서 GRB 위치를 고적색단수에서 일반적인 SFR 은하의 특징 척도를 탐지하는 타겟으로 활용할 수 있다.