[논문 리뷰] Unveiling Dust-enshrouded Star Formation in the Early Universe: a Sub-mm Survey of the Hubble Deep Field

D. H. Hughes, S. Serjeant외 13명|arXiv (Cornell University)|1998. 06. 22.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 48인용 수 750

한 줄 요약

이 논문은 Hubble Deep Field에 대해 JCMT의 SCUBA를 사용하여 현재까지 가장 깊은 밀리미터파 대역 조사 결과를 제시한다. 이 조사에서는 적색편이 z ≈ 3인 5개의 강력한 850 μm 소스를 발견하였으며, 이들의 광도는 2 mJy 이상이었다. 이러한 소스들은 먼지에 둘러싸인 별 형성 폭발 은하의 집단을 드러내며, 이들은 해저화되지 않은 밀리미터파 배경의 30–50% 기여한다. 이는 z > 2에서의 별 형성 밀도가 순수하게 UV 데이터로부터 유추된 것보다 최소 5배 이상 높다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The advent of sensitive sub-mm array cameras now allows a proper census of dust-enshrouded massive star-formation in very distant galaxies, previously hidden activity to which even the faintest optical images are insensitive. We present the deepest sub-mm survey of the sky to date, taken with the SCUBA camera on the James Clerk Maxwell Telescope and centred on the Hubble Deep Field. The high source density found in this image implies that the survey is confusion-limited below a flux density of 2 mJy. However, within the central 80 arcsec radius independent analyses yield 5 reproducible sources with S(850um) > 2 mJy which simulations indicate can be ascribed to individual galaxies. We give positions and flux densities for these, and furthermore show using multi-frequency photometric data that the brightest sources in our map lie at redshifts z~3. These results lead to integral source counts which are completely inconsistent with a no-evolution model, and imply that massive star-formation activity continues at redshifts > 2. The combined brightness of the 5 most secure sources in our map is sufficient to account for 30 - 50% of the previously unresolved sub-mm background, and we estimate statistically that the entire background is resolved at about the 0.3 mJy level. Finally we discuss possible optical identifications and redshift estimates for the brightest sources. One source appears to be associated with an extreme starburst galaxy at z~1, whilst the remaining four appear to lie in the redshift range 2 < z < 4. This implies a star-formation density over this redshift range that is at least five times higher than that inferred from the ultraviolet output of HDF galaxies.

연구 동기 및 목표

• 기존의 광학적 조사에서 먼지로 인해 가려졌던 초기 우주의 먼지로 둘러싸인 별 형성 은하를 탐지하고 특성화하기 위해.
• 고적색편이, 먼지로 둘러싸인 별 폭발 은하가 외성간 밀리미터파 배경에 기여하는 정도를 측정하기 위해.
• UV 기반 추정치가 먼지로 인해 편향될 수 있다는 점을 감안할 때, 밀리미터파 데이터를 통해 z > 2에서의 별 형성 속도 밀도를 독립적으로 결정하기 위해.
• 다중 주파수 광도 측정 분석을 통해 탐지된 밀리미터파 소스의 적색편이 분포와 물리적 성질을 평가하기 위해.
• 2 mJy 이하 광도에서 혼잡한 영역의 조건 하에서 조사의 완전성과 신뢰성을 평가하기 위해.

제안 방법

• James Clerk Maxwell Telescope의 SCUBA 기구를 사용하여 Hubble Deep Field에 대해 초초기밀리미터파 대역(850 μm) 조사를 수행하였다.
• 중앙 80 arcsec 반경 내에서 독립적인 소스 추출 및 검증을 수행하여 2 mJy 이상의 광도를 가진 5개의 강력한 소스를 식별하였다.
• 광학, 적외선, 밀리미터파를 포함한 다중 주파수 광도 데이터를 활용하여 탐지된 소스의 적색편이와 SED를 추정하였다.
• 시뮬레이션을 적용하여 소스의 혼잡도와 신뢰성을 평가하였으며, 5개의 소스가 개별적으로 해상 가능한 것으로 확인되었다.
• 5개의 가장 밝은 소스의 병합 광도가 밀리미터파 배경에 기여하는 정도를 계산하고 배경의 총 해상도 비율을 추정하였다.
• q₀ = 0.5를 가정하여 병합 광도와 천체역학적 부피를 활용해 z ≈ 3에서 먼지로 둘러싸인 별 형성 속도 밀도를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀리미터파 조사에 의한 결과, z > 2에서 먼지로 둘러싸인 별 형성 활동의 수준은 어떠한가?
• RQ2 어느 정도의 비율로 밀리미터파로 탐지된 소스들이 850 μm에서 해저화되지 않은 외성간 밀리미터파 배경을 차지하는가?
• RQ3 탐지된 밀리미터파 소스의 적색편이와 빛의 세기는 고적색편이 은하 진화 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 UV 기반 조사에서 먼지로 인해 가려지는 초기 우주에서의 총 별 형성 속도 밀도의 몇 퍼센트가 누락되는가?
• RQ5 탐지된 소스의 성질은 알려진 국지적 ULIRG와 어떻게 조화를 이룰 수 있으며, 이는 그들의 진화 상태에 대해 어떤 시사점을 갖는가?

주요 결과

• Hubble Deep Field의 중심 80 arcsec 내에서 S₈₅₀ μm > 2 mJy인 5개의 강력한 밀리미터파 소스가 탐지되었으며, 이들의 위치와 광도는 보고되었다.
• 가장 밝은 소스들은 적색편이 z ≈ 3에 위치해 있으며, 그 중 4개는 적색편이 범위 2 ≤ z < 4에 있을 가능성이 높다.
• 5개의 가장 확실한 소스의 병합 광도는 이전에 해저화되지 않은 850 μm 밀리미터파 배경의 30–50%를 차지한다.
• 약 0.3 mJy 광도 수준에서 조사가 밀리미터파 배경의 약 80%를 해상하였으며, 이는 배경이 주로 해상되어 있음을 시사한다.
• q₀ = 0.5를 가정할 때, z ≈ 3에서 먼지로 둘러싸인 별 형성 속도 밀도는 약 0.21 h M☉ yr⁻¹ Mpc⁻³로 추정되었으며, 이는 순수 UV 데이터로부터 추정된 값보다 최소 5배 이상 높다.
• 한 소스가 z > 4에 위치할 경우, 별 형성 속도 밀도는 z ≈ 5까지 약 일정하게 유지되며, 이는 초기 우주에서 지속적인 활동이 있었음을 시사한다.