[논문 리뷰] Ultradeep IRAC Observations Of Sub-L* z 7 And z 8 Galaxies In The HUDF: The Contribution Of Low-luminosity Galaxies To The Stellar Mass Density And Reionization.

Ivo Labbé|arXiv (Cornell University)|2009. 10. 06.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 HUDF에서 z~7 및 z~8 드롭아웃은 14개의 z~7과 5개의 z~8 드롭아웃은 초고해상도 스피츠너 IRAC 관측을 이용해 고정된 옵티컬 플럭스를 측정하며, z~7에서의 하위-L* 은하들이 은하의 질량 밀도에 크게 기여하고 지속적인 재이온화를 이끌었을 수 있음을 드러낸다. z~7 은하들은 평균 항성 질량 1.2×10⁹ M☉, 나이 약 300 Myr, 높은 특이 별성률을 보이며, 이는 밀도는 높지만 젊지는 않음을 시사한다. 반면 z~8 은하들은 (1+z)⁻⁶ 진동에 따라 질량 밀도가 급격히 감소하는 경향을 보이며 일관된다.

ABSTRACT

We study the Spitzer IRAC mid-infrared (rest-frame optical) fluxes of 14 newly WFC3/IR-detected z~7 z_{850}-dropout galaxies and 5 z~8 Y_{105}-dropout galaxies. The WFC3/IR depth and spatial resolution allows accurate removal of contaminating foreground light, enabling reliable flux measurements at 3.6mum and 4.5mum. None of the galaxies are detected to [3.6]=26.9 (AB, 2 sigma), but a stacking analysis reveals a robust detection for the z_{850}-dropouts and upper limit for the Y_{105}-dropouts. We construct average broadband SEDs using the stacked ACS, WFC3, and IRAC fluxes and fit stellar population synthesis models to derive mean redshifts, stellar masses, and ages. For z~7 z_{850}-dropouts, we find z=6.9^{+0.1}_{-0.1}, (U-V)_{rest}=0.3, reddening A_V=0, stellar mass =1.2^{+0.3}_{-0.5} x 10^9Msun (Salpeter IMF). The best-fit ages ~300Myr, M/L_V=0.2, and SSFR~1.7Gyr^{-1} are similar to values reported for luminous z~7 galaxies, indicating the galaxies are smaller but not younger. The sub-L* galaxies observed here contribute significantly to the stellar mass density and under favorable conditions may have provided enough photons for sustained reionization at 7<z<11. In contrast, the z=8.3^{+0.1}_{-0.2} Y_{105}-dropouts have stellar masses that are uncertain by 1.5 dex due to the near-complete reliance on far-UV data. Adopting the 2 sigma upper limit on the M/L(z=8), the stellar mass density (to M_{UV,AB}<-18) declines from 3.7^{+0.9}_{-1.6} x 10^6Msun Mpc^{-3} (z=7) to < 8 x 10^5Msun Mpc^{-3} (z=8), following \propto(1+z)^{-6} over 3<z<8. Much lower masses at z=8 would signify much more dramatic evolution, which can be established with deeper IRAC observations long before the arrival of JWST.

연구 동기 및 목표

• 깊은 IRAC 데이터를 활용해 z~7 및 z~8에서 희미한 고적색 은하의 고정된 옵티컬 플럭스를 측정하여 그들의 항성 질량 기여도를 평가한다.
• 초기 우주에서 하위-L* 은하의 항성 집단 특성—적색편이, 질량, 나이, SED 형태—를 규명한다.
• 저광도 은하가 우주 항성 질량 밀도에 기여하는 정도와 7 < z < 11 범위에서의 재이온화 유지에 기여할 잠재적 역할을 평가한다.
• 스택킹 및 상한선을 활용해 z~7에서 z~8로의 항성 질량 밀도 변화를 정량화하며, 특히 z~8에서의 제한된 데이터를 고려한다.

제안 방법

• 고해상도 및 깊이 있는 관측을 위해 초고해상도 WFC3/IR 및 스피츠너 IRAC 이미징을 활용하여 전경 오염 제거를 정확히 수행한다.
• 14개의 z~7 z_{850}-드롭아웃 및 5개의 z~8 Y_{105}-드롭아웃 은하에 대해 스택킹 분석을 수행하여 개별적으로 검출되지 않은 미세적 적외선 플럭스를 탐지한다.
• 스택된 ACS, WFC3 및 IRAC 플럭스를 사용해 밴드통합 SED를 구성하여 항성 집단 특성을 모델링한다.
• 스택된 SED에 항성 집단 합성 모델을 적합시켜 평균 적색편이, 항성 질량, 나이 및 투명도(A_V)를 유도한다.
• Salpeter 초기 질량 함수(IMF)를 적용하고 M/L_V 비율 및 SSFR을 사용해 은하 진화 및 재이온화 잠재력 해석한다.
• z~8에서 IRAC 플럭스의 2σ 상한선을 사용해 z~7 및 z~8에서의 항성 질량 밀도를 계산하며, 질량 추정치의 불확실성 범위는 1.5 dex로 제한한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하위-L* z~7 z_{850}-드롭아웃 은하의 평균 항성 질량과 나이는 무엇이며, 더 밝은 z~7 은하들과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 z~7에서 저광도 은하들은 우주 항성 질량 밀도와 재이온화 광자 예산에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 z~7에서 z~8로의 항성 질량 밀도 변화는 어떻게 진행되며, 관측된 감소는 은하 진화와 재이온화에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 멀리 자외선 데이터와 중간 적외선 대역의 상한선에 의존할 경우, z~8에서 항성 질량 추정치의 신뢰도는 어느 정도인가?
• RQ5 z~8에서 관측된 질량 밀도 변화는 (1+z)⁻⁶ 의존성을 따르는가? 이는 향후 JWST 관측에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• z~7 z_{850}-드롭아웃 은하들은 적색편이 z = 6.9⁺⁰.¹₋₀.¹을 보이며, 이는 그들의 광학적 적색편이와 일치하며, (U-V)_{rest} 색상은 0.3이며 적색화 없음(A_V = 0)을 나타낸다.
• z~7 은하들의 평균 항성 질량은 1.2⁺⁰.³₋₀.⁵ × 10⁹ M☉(Salpeter IMF)이며, 최적 적합 나이는 약 300 Myr, 높은 특이 별성률 약 1.7 Gyr⁻¹을 보인다.
• 크기가 더 작음에도 불구하고 z~7 은하들은 더 밝은 z~7 은하들과 유사한 진화 단계에 있으며, 젊지는 않다.
• z~7에서의 항성 질량 밀도(M_{UV,AB} < -18 기준)는 3.7⁺⁰.⁹₋₁.⁶ × 10⁶ M☉ Mpc⁻³이며, z~8에서 < 8 × 10⁵ M☉ Mpc⁻³로 감소하며, 3 < z < 8 범위에서 (1+z)⁻⁶ 진동을 따른다.
• z~8 Y_{105}-드롭아웃 은하들의 항성 질량은 먼 자외선 데이터와 IRAC 상한선에 의존하여 매우 불확실하며, 1.5 dex의 불확실성 범위를 가진다.
• 관측된 질량 밀도 감소는 z~8에서 급격한 진화를 시사하며, JWST 발사 이전에 더 깊은 IRAC 데이터로 이를 확인할 수 있다.