[논문 리뷰] The Star Formation Rate of the Universe at z~6 from the Hubble Ultra Deep Field

Andrew J. Bunker, E. R. Stanway외 2명|2004. 03. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 허블 초초음속장면을 사용하여 z≈6에서의 항성 형성률을 측정하기 위해 (i′−z′)AB>1.3 색상 초과를 통해 i′-드롭아웃 은하를 식별함으로써, z′_AB=28.5까지의 후보자 54개를 발견하였다. 이는 z≈6에서의 공변 항성 형성률이 z≈3일 때보다 약 6배 낮다는 결론을 도출하며, 빛나는 z≈6 은하가 우주를 재이온화시켰다는 모델에 도전한다.

ABSTRACT

We determine the abundance of i'-band drop-outs in the recently-released HST/ACS Hubble Ultra Deep Field (UDF). Since the majority of these sources are likely to be z~6 galaxies whose flux decrement between the F775W i'-band and F850LP z'-band arises from Lyman-alpha absorption, the number of detected candidates provides a valuable upper limit to the unextincted star formation rate at this redshift. We demonstrate that the increased depth of UDF enables us to reach an 8-sigma limiting magnitude of z'(AB)=28.5 (equivalent to 1.5/h{70}^2 M_sun/yr at z=6, or 0.1 L*(UV) for the z~3 U-drop population), permitting us to address earlier ambiguities arising from the unobserved form of the luminosity function. We identify 54 galaxies (and only one star) at z'(AB)<28.5 with (i'-z')>1.3 over the deepest 11arcmin^2 portion of the UDF field. The characteristic luminosity (L*) is consistent with values observed at z~3. The faint end slope (alpha) is less well constrained, but is consistent with only modest evolution. The main change appears to be in the number density (Phi*). Specifically, and regardless of possible contamination from cool stars and lower redshift sources, the UDF data support our previous result that the star formation rate at z~6 was at least x6 LESS than at z~3 (Stanway, Bunker & McMahon 2003). This declining comoving star formation rate (0.005 h{70}M_sun/yr/Mpc^3 at z~6 for a Salpeter IMF) poses an interesting challenge for models which suggest that L>0.1L* star forming galaxies at z~6 reionized the universe. The short-fall in ionizing photons might be alleviated by galaxies fainter than our limit, or a radically different IMF. Alternatively, the bulk of reionization might have occurred at z>>6.

연구 동기 및 목표

• 깊은 허블 우주망원경 이미징을 통해 z≈6에서의 항성 형성률 밀도를 결정하기 위해.
• 고적색 이격에서의 자외선 빛의 밀도 함수의 희미한 끝 부분 기울기의 불확실성을 해결하기 위해.
• 빛나는 항성 형성 은하가 z≈6에서 우주를 재이온화했을 수 있는지를 테스트하기 위해.
• i′-드롭아웃 선택에서 냉각성 항성과 낮은 적색 이격의 간섭자에 의한 오염 정도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 허블 초초음속장면 ACS 데이터에서 (i′−z′)AB>1.3 색상 선택 기준을 사용하여 i′-드롭아웃 후보를 식별함.
• z′_AB=28.5의 깊은 8σ 한계 감도를 적용하여, z=6.1에서 1.5 h⁻²₇₀ M⊙ yr⁻¹에 해당함.
• 낮은 적색 이격에서의 빛의 밀도 함수를 기반으로 한 시뮬레이션을 통해 냉각성 항성과 저적색 이격 간섭자에 의한 오염을 추정함.
• L*가 z≈3와 일치하는 빛의 밀도 함수 모델을 적용하고, α(희미한 끝 부분 기울기)를 자유 매개변수로 사용함.
• z≈6에서 L>0.1 L*_{UV}에 대해 통합함으로써 공변 항성 형성률 밀도를 계산함.
• 이전의 GOODS 데이터와 고이온화 광자 출력이 필요한 재이온화 모델과 결과를 비교함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UV 빛이 강한 은하(L>0.1 L*_{UV})에 대해 z≈6에서의 공변 항성 형성률 밀도는 무엇인가요?
• RQ2 동일한 빛의 강도 한계를 가진 경우, z≈6에서의 i′-드롭아웃 은하의 빈도는 z≈3일 때와 어떻게 비교될 수 있나요?
• RQ3 i′-드롭아웃 샘플이 냉각성 항성이나 저적색 이격 은하에 의해 어느 정도 오염되어 있나요?
• RQ4 관측된 z≈6에서의 항성 형성률은 이러한 은하들이 주요 이온화 원천이라면 우주의 재이온화를 설명할 수 있을까요?
• RQ5 z≈6에서 자외선 빛의 밀도 함수의 형태, 특히 희미한 끝 부분 기울기 α는 어떻게 되나요?

주요 결과

• 허블 초초음속장면는 8σ 한계 감도 z′_AB=28.5에 도달하여 이전의 조사보다 더 희미한 은하를 탐지할 수 있음.
• UDF의 가장 깊은 11 arcmin²에서 (i′−z′)AB>1.3 조건을 만족하는 i′-드롭아웃 후보자 54개를 식별하였으며, 이는 z≈6 은하 빈도에 대한 상한선을 나타냄.
• L>0.1 L*_{UV} 은하에 대해 z≈6에서의 공변 항성 형성률 밀도는 0.005 h₇₀ M⊙ yr⁻¹ Mpc⁻³이며, z≈3일 때보다 약 6배 낮음.
• z≈6에서의 자외선 빛의 밀도 함수의 희미한 끝 부분 기울기 α는 약간의 진화와 일치하지만, 주로 형태가 아닌 정규화(Φ*)의 변화임.
• z′_AB>26일 경우 냉각성 은하계 항성에 의한 오염은 미미하며, 이는 UDF가 은하수 평면을 초월한 위치에 있기 때문일 것임.
• 관측된 z≈6에서의 항성 형성률은 빛나는 z≈6 은하가 주요 이온화 원천이라면 우주를 재이온화하는 데 필요한 양보다 부족함을 보이며, 이는 더 희미한 은하, 상위 무게 분포가 높은 별의 형성 함수, 또는 재이온화가 z>10에서 발생했음을 시사함.