[논문 리뷰] The Discovery of Primeval Galaxies and the Epoch of Galaxy Formation

Max Pettini, Charles C. Steidel외 4명|arXiv (Cornell University)|1997. 08. 12.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 적색이동 z ≈ 3에서 초기 은하를 발견하기 위해 912 Å에서의 라이만 불연속성을 대상으로 하는 광도 선택 기법을 제시한다. 이 기법은 강한 외부 유동과 중간 정도의-dust 투과율을 가지는 밝고 별이 활발히 형성되는 은하의 집단을 드러내며, 이는 암흑 물질 홀로 10¹² M☉ 이상인 대규모 구조 형성의 확인을 의미한다. 또한 z > 5를 탐색하기 위해 적외선 우주 망원경이 필요하다는 점을 강조한다.

ABSTRACT

We review the steps which have led to the discovery of a widespread population of objects at z = 3 with many of the characteristics which we expect for primeval galaxies, and emphasize in particular the advantages of a colour selection technique which targets the Lyman discontinuity at 912 Angstroms. Star forming galaxies at z = 3 resemble local starbursts, although they are typically more luminous by more than one order of magnitude. The ultraviolet continuum is dominated by the integrated light of O and early B type stars and shows prominent interstellar absorption lines which are often blueshifted relative to the systemic velocity of the galaxy, indicating highly energetic outflows in the interstellar medium. Lyman alpha emission is generally weak, probably as a result of resonant scattering. The spectral slope of the ultraviolet continuum and the strength of the Hbeta emission line, which we have detected in a few cases with pilot observations in the infrared K band, suggest that some interstellar dust is already present in these young galaxies and that it attenuates their UV luminosities by a factor of about 3. The efficiency of our photometric selection technique has allowed us to establish that large scale concentrations of galaxies were already in place at z = 3, possibly the precursors of galaxy clusters as they as they were beginning to decouple from the Hubble expansion. In the context of Cold Dark Matter models of structure formation, the observed clustering of the z~3 galaxies suggests that they are associated with dark matter halos of mass greater than 10^12 solar masses. We conclude by pointing out the need for infrared space observatories, such as the proposed Next Generation Space Telescope, for pushing the quest for the origin of galaxies beyond z=5.

연구 동기 및 목표

• 새로운 광도 선택 기법을 사용하여 고적색이동(z ≈ 3)의 초기 은하를 식별하고 특성화하는 것.
• 별 형성률, 외부 유동 및 먼지 함량을 포함한 초기 별 형성 은하의 물리적 성질을 이해하는 것.
• 냉각된 암흑 물질 모델에서 고적색이동 은하의 군집화와 암흑 물질 홀로 형성 간의 연관성을 조사하는 것.
• 미래의 적외선 우주 관측소를 활용하여 z = 5를 초월하는 은하 탐지의 가능성 평가.
• 초기 은하에서 라이선 뿌리 흡수와 공명 산란이 라이선 α 방출을 어떻게 형성하는지 규명하는 것.

제안 방법

• 912 Å에서의 라이만 불연속성을 대상으로 하여 고적색이동 은하를 분리하는 색상 선택 기법을 적용.
• 깊은 옵티컬 및 적외선 광도 측정을 통해 강한 라이만 브레이크 특징을 보이는 은하 식별.
• K-band 관측에서 자외선 연속 스펙트럼 기울기와 Hβ 방출선 분석을 통해 먼지 투과율 추정.
• 이sov체 흡수선의 블루시프트를 측정하여 은하간 매질에서의 에너지가 큰 외부 유동 추론.
• 적색이동 z ≈ 3에서의 대규모 구조 형성 평가를 위해 군집 분석 적용.
• 관측된 은하 군집화에서 추론된 암흑 물질 홀로 질량을 추정하기 위해 냉각된 암흑 물질(CDM) 모델 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 3의 은하 성격은 무엇이며, 지역의 별폭발 은하와 물리적 성질을 비교하면 어떻게 되는가?
• RQ2 라이만 불연속성 선택 기법은 다른 방법에 비해 고적색이동 은하 탐지에 어떤 방식으로 향상되는가?
• RQ3 먼지 투과율이 초기 은하의 자외선 빛의 강도에 얼마나 큰 영향을 미치며, 그 정량적 영향은 무엇인가?
• RQ4 z ≈ 3 은하의 군집 스케일은 무엇이며, 이는 그들이 수반하는 암흑 물질 홀로 질량에 대해 어떤 함의를 지니는가?
• RQ5 z = 5를 초월하는 은하 탐색의 전망은 어떠하며, 이를 위해 어떤 관측 도구가 필요한가?

주요 결과

• z ≈ 3의 은하는 일반적으로 지역의 별폭발 은하보다 10배 이상 더 밝다.
• 자외선 연속 스펙트럼은 O형 및 초기 B형 항성에 의해 지배되며, 뚜렷한 블루시프트된 이sov체 흡수선은 강한 외부 유동을 나타낸다.
• 공명 산란으로 인해 라이선 α 방출은 약한 편이며, 높은 중성 수소 열량 밀도와 일치한다.
• 먼지 투과율은 스펙트럼 기울기와 K-band에서의 Hβ 검출을 통해 약 3배 정도 자외선 빛의 강도를 감소시킴을 추정할 수 있다.
• z ≈ 3에서의 은하 군집화는 암흑 물질 홀로 질량이 10¹² 태양질량을 초과하는 존재를 암시한다.
• 관측된 대규모 구조는 z ≈ 3 은하가 현재의 은하 클러스터의 조상일 가능성이 높다는 것을 시사한다.