[논문 리뷰] The Nature of High-Redshift Galaxies

Rachel S. Somerville, Joel R. Primack외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 06. 26.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 냉각 암흑물질(CDM) 프레임워크 내에서 반분석 모델을 사용하여 고적도 라이만-브레이크은하(LBGs)의 성질을 조사한다. 분석 결과, '충돌성 은하형성 폭발' 모델—즉, 융합이 강한 은하 형성 활동을 유도하는 모델—이 z ~ 3–4에서 관측된 광도함수, 수밀도, 물리적 성질(예: 은하 형성률, 크기, 색깔)을 가장 잘 재현함을 보여주며, 휴면형 모델은 밝은 은하와 냉각 기체의 부족으로 실패한다. 이 모델은 고적도 은하 형성의 효율성이 국소 영역보다 훨씬 높아야 한다는 것을 시사하며, 이는 충돌성 은하형성 폭발 모델이 자연스럽게 설명할 수 있다.

ABSTRACT

Using semi-analytic models of galaxy formation set within the Cold Dark Matter (CDM) merging hierarchy, we investigate several scenarios for the nature of the high-redshift ($z \ga 2$) Lyman-break galaxies (LBGs). We consider a ``collisional starburst'' model in which bursts of star formation are triggered by galaxy-galaxy mergers, and find that a significant fraction of LBGs are predicted to be starbursts. This model reproduces the observed comoving number density of bright LBGs as a function of redshift and the observed luminosity function at $z\sim 3$ and $z\sim 4$, with a reasonable amount of dust extinction. Model galaxies at $z \sim 3$ have star formation rates, half-light radii, I-K colours, and internal velocity dispersions that are in good agreement with the data. Global quantities such as the star formation rate density and cold gas and metal content of the Universe as a function of redshift also agree well. Two ``quiescent'' models without starbursts are also investigated. In one, the star formation efficiency in galaxies remains constant with redshift, while in the other, it scales inversely with disc dynamical time, and thus increases rapidly with redshift. The first quiescent model is strongly ruled out as it does not produce enough high redshift galaxies once realistic dust extinction is accounted for. The second quiescent model fits marginally, but underproduces cold gas and very bright galaxies at high redshift. A general conclusion is that star formation at high redshift must be more efficient than locally. The collisional starburst model appears to accomplish this naturally without violating other observational constraints.

연구 동기 및 목표

• 이론적 모델링을 통해 z > 2에서 고적도 라이만-브레이크은하(LBGs)의 물리적 성질을 규명하는 것.
• LBGs가 은하형성 폭발 또는 휴면형 진화 시나리오 중 어느 것으로 더 잘 설명되는지 테스트하는 것.
• 우주론적 제약 조건과 관측된 LBG 수밀도, 광도함수 및 물리적 성질을 조율하는 것.
• -dust extinction와 은하 형성 효율이 고적도 은하 진화에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 관측된 은하 형성률 밀도의 진화(Madau 플롯)가 다양한 은하 형성 모델로 설명 가능한지 평가하는 것.

제안 방법

• 냉각 암흑물질(CDM) 융합 계층에서 은하 형성의 반분석 모델을 활용하는 것.
• 융합이 짧고 강한 은하 형성 활동을 유도하는 '충돌성 은하형성 폭발' 모델을 사용하여 은하 진화를 시뮬레이션하는 것.
• z ~ 3 및 z ~ 4에서 관측된 공면 수밀도와 광도함수와 모델 예측을 비교하는 것.
• 광도에 따라 변하는 척도(Wang & Heckman)를 사용하여 자외선 광도에 먼지 흡수 보정을 적용하며, 최소(0.4L*) 및 최대(모든 은하) 보정 수준을 적용하는 것.
• 먼지 보정을 포함한 자외선 광도함수를 통합하여 은하 형성률 밀도(SFRD)를 Madau 플롯 방식으로 계산하는 것.
• 두 가지 휴면형 모델을 테스트: 일정한 은하 형성 효율을 가진 모델과 디스크의 운동역학적 시간스케일에 반비례하는 효율을 가진 모델.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 충돌성 은하형성 폭발 모델은 z ~ 3 및 z ~ 4에서 고적도 LBG의 관측된 공면 수밀도와 광도함수를 재현할 수 있는가?
• RQ2 먼지 흡수 보정은 유추된 은하 형성률 밀도와 모델이 관측과의 일치성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 일정하거나 적색편이에 따라 변화하는 은하 형성 효율을 가진 휴면형 모델은 고적도 은하의 관측된 성질을 재현할 수 있는가?
• RQ4 관측된 은하 형성률 밀도, 냉각 기체 함량, 금속성 진화가 은하 형성 모델에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 z ~ 2–4에서 관측된 은하 형성률 밀도의 평탄한 플랫폼은 이론 모델과 일치하는가, 아니면 고적도에서 은하 형성 효율이 향상되어야 하는가?

주요 결과

• 충돌성 은하형성 폭발 모델은 z ~ 3 및 z ~ 4에서 밝은 LBG의 관측된 공면 수밀도와 광도함수를 합리적인 먼지 흡수 수준으로 성공적으로 재현한다.
• z ~ 3에서의 모델 은하들은 관측된 은하 형성률, 반광도 반경, I – K 색깔, 내부 속도 분산과 잘 일치하여 데이터와의 양호한 일치를 나타낸다.
• 모델에서 유도된 은하 형성률 밀도(SFRD)는 z ~ 2에서 z ~ 4까지 평탄한 플랫폼을 보이며 관측 데이터와 일치하지만, 전통적인 Madau 플롯(정점이 z ~ 2에 있음)과는 다릅니다.
• 일정한 은하 형성 효율을 가진 휴면형 모델은 현실적인 먼지 흡수 보정을 적용한 후에 은하 수가 부족하여 강하게 배제된다.
• 디스크 운동역학적 시간스케일에 반비례하는 효율을 가진 휴면형 모델은 자료에 약간의 일치를 보이지만, 고적도에서 냉각 기체와 매우 밝은 은하의 수를 부족하게 생산한다.
• 이 연구는 고적도 은하 형성의 효율성이 국소 영역보다 훨씬 높아야 하며, 이 조건은 충돌성 은하형성 폭발 모델이 자연스럽게 만족시킨다고 결론을 내린다.