[논문 리뷰] The Evolution of Luminous Matter in the Universe

Piero Madau|arXiv (Cornell University)|1997. 09. 15.

Photocathodes and Microchannel Plates인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 휘도 있는 물질의 진화를 추적하기 위해 정지 프레임 UV 및 가까운 적외선 연속 스펙트럼을 사용하여 은하 내 별 형성률과 항성 질량을 추론하는 스펙트로포스펙트로미트릭 모델을 제시한다. 이 모델은 오늘날의 약 60%의 별들이 최근에 형성되었음을 시사하며(적성 z < 1.5), 계층적 우주론과 일치하고, 먼지 흡수로 인한 불확실성이 가장 큰 요소임에도 불구하고, 어두운 magnitude까지의 전체 은하간 배경 빛을 설명할 수 있다.

ABSTRACT

I review a technique for interpreting faint galaxy data which traces the evolution with cosmic time of the galaxy luminosity density, as determined from several deep spectroscopic samples and the HDF. The method relies on the rest frame UV and near-IR continua of galaxies as indicators, for a given IMF and dust content, of their instantaneous SFR and total stellar mass, and offers the prospect of addressing in a coherent framework an important set of subjects: cosmic star formation history, dust in primeval galaxies, shape of the IMF, stellar mass-to-light ratios of present-day galaxies, extragalactic background light, Type II supernovae and heavy element enrichment history of the universe. The global spectrophotometric properties of field galaxies are well fit by a simple stellar evolution model, defined by a time-dependent SFR per unit comoving volume, a universal IMF which is relatively rich in massive stars, and a modest amount of dust reddening. The model is able to account for the entire background light recorded in the galaxy counts down to the very faint magnitude levels probed by the HDF, and produces visible mass-to-light ratios at the present epoch which are consistent with the values observed in nearby galaxies of various morphological types. The bulk (&gt;60%) of the stars present today formed relatively recently (z&lt;1.5), consistently with the expectations from a broad class of hierarchical clustering cosmologies, and in good agreement with the low level of metal enrichment observed at high redshifts in the damped Lyman-alpha systems. Throughout this review I emphasize how the poorly constrained amount of starlight that was absorbed by dust and reradiated in the far-IR at early epochs represents one of the biggest uncertainties in our understanding of the evolution of luminous matter in the universe.

연구 동기 및 목표

• 깊은 탐사와 허블 심연 은하계의 약한 은하 데이터를 해석하여 빛나는 물질의 우주 역사 재구성.
• 은하의 별 형성력사, 초기 질량 함수(IMF), 먼지 함량, 항성 질량-광도 비율에 대한 불확실성 해결.
• 일관된 별 형성 및 먼지 흡수 모델을 사용하여 전체 은하간 배경 빛(EBL)을 설명.
• 먼지가 초기 별 빛을 흡수하고 원반 적외선에서 재방출하는 역할을 평가하고, 이는 빛나는 물질 진화에서 가장 큰 불확실성 요소이다.

제안 방법

• 순간 별 형성률(SFR)과 총 항성 질량의 지표로 정지 프레임 UV 및 가까운 적외선 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 사용.
• 시간에 따라 변화하는 SFR을 가진 단순 별 집단(SSP) 모델을 적용하며, 단위 공형 부피당.
• 대량 항성이 풍부한 보편적인 初기 질량 함수(IMF)와 보통의 먼지 붉어짐 법칙을 사용하여 관측된 은하 SED에 적합.
• 깊은 분광 샘플과 허블 심연 은하계(HDF) 데이터를 캘리브레이션하여 SFR 및 항성 질량 밀도 진화를 제약.
• 관측된 은하 수와 배경 빛에 대한 피팅을 통해 모델이 전체 은하간 배경 빛과 일관됨을 검증.
• 먼지 재처리를 통합하여 별 빛의 흡수 및 원반 적외선에서의 재방출 비율을 추정하고, 그 불확실성에 주목.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 은하의 정지 프레임 UV 및 가까운 적외선 성질에서 유추된 별 형성의 우주 역사란 무엇인가?
• RQ2 알려진 은하와 그 진화한 항성 집단이 은하간 배경 빛의 어느 정도를 차지하는가?
• RQ3 원반 적외선에서의 먼지 흡수 및 재방출이 초기 우주에서 추론된 빛나는 물질 예산에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 초기 별 형성에서 대량 항성이 우세한 초기 질량 함수(IMF)는 우주의 시간에 따라 일관된가?
• RQ5 모델 예측의 항성 질량-광도 비율이 국소 은하의 관측 결과와 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• 현재 우주에 존재하는 별의 약 60%가 적성 z < 1.5에서 최근에 형성되었으며, 이는 상당한 최근 별 형성 시대를 시사한다.
• 모델은 허블 심연 은하계의 가장 어두운 magnitude까지 기록된 전체 은하간 배경 빛을 설명할 수 있다.
• 현재 예측된 항성 질량-광도 비율은 다양한 형상 유형의 근접 은하 관측 결과와 일치한다.
• 유추된 별 형성력사는 계층적 군집 우주론과 고적성에서 관측된 저금속도 수준과 광범위하게 일치한다.
• 초기 별 빛의 먼지 흡수 및 원반 적외선에서의 재방출은 빛나는 물질 예산을 재구성하는 데 있어 가장 큰 불확실성 요소이다.
• SED와 통합 배경 빛 양쪽 모두에 대한 모델의 성공은 정지 프레임 UV 및 가까운 적외선 연속 스펙트럼이 SFR과 항성 질량의 강력한 지표임을 뒷받침한다.