[논문 리뷰] UV Luminosity Functions at redshifts z~4 to z~10: 10000 Galaxies from HST Legacy Fields

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth외 12명|ThinkIR: The University of Louisville's Institutional Repository (University of Louisville)|2014. 03. 17.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주望遠鏡 레거시 영역에서 10,000개의 은하 후보를 이용해 z~4에서 z~10까지 가장 광범위한 UV 빛의 세기 함수(LF) 측정을 수행한다. 이는 희미한 끝 부분 기울기(α)의 상당한 진화를 드러내며, z~4에서 α = -1.64 ± 0.04에서 z~7에서 α = -2.06 ± 0.13으로 기울기가 더 급격히 기울어지며, 홀로 질량 함수의 진화와 일치한다. 반면 M*는 최소한의 진화를 보이고, φ*가 관측된 LF 진화의 주요 기여 요소이다.

ABSTRACT

The remarkable HST datasets from the CANDELS, HUDF09, HUDF12, ERS, and BoRG/HIPPIES programs have allowed us to map out the evolution of the UV LF from z~10 to z~4. We have identified 5859, 3001, 857, 481, 217, and 6 galaxy candidates at z~4, z~5, z~6, z~7, z~8, and z~10, respectively from the ~1000 arcmin**2 area probed. The selection of z~4-8 galaxies over the five CANDELS fields allows us to assess the cosmic variance; the largest variations are apparent at z>=7. Our new LF determinations at z~4 and z~5 span a 6-mag baseline (-22.5 to -16 AB mag). These determinations agree well with previous estimates, but the larger samples and volumes probed here result in a more reliable sampling of >L* galaxies and allow us to reassess the form of the UV LFs. Our new LF results strengthen our earlier findings to 3.4 sigma significance for a steeper faint-end slope to the UV LF at z>4, with alpha evolving from alpha=-1.64+/-0.04 at z~4 to alpha=-2.06+/-0.13 at z~7 (and alpha = -2.02+/-0.23 at z~8), consistent with that expected from the evolution of the halo mass function. With our improved constraints at the bright end, we find less evolution in the characteristic luminosity M* over the redshift range z~4 to z~7; the observed evolution in the LF is now largely represented by changes in phi*. No evidence for a non-Schechter-like form to the z~4-8 LFs is found. A simple conditional LF model based on halo growth and evolution in the M/L ratio of halos ((1+z)**-1.5) provides a good representation of the observed evolution.

연구 동기 및 목표

• z~4에서 z~10에 걸쳐 사전에 비해 통계적 힘을 지닌 복귀 기준 UV 빛의 세기 함수(LF) 측정.
• 고적색 은하 수 밀도의 천체적 변동성과 현상 간 변동성을 평가.
• UV LF의 진화가 Schechter 함수 매개변수(M*, φ*, α)에 의해 이루어지는지 또는 비-Schechter 형태가 필요한지 테스트.
• 홀로 성장과 M/L 진화를 기반으로 한 조건부 빛의 세기 함수(CLF) 모델을 사용해 관측된 LF 진화를 모델링.
• 개선된 LF 제약 조건을 바탕으로 은하 진화가 천체 재이온화에 미치는 영향 평가.

제안 방법

• CANDELS, HUDF09, HUDF12, ERS, BoRG/HIPPIES에서 확보한 깊고 넓은 영역의 HST 레거시 데이터셋을 활용하여 약 1000 제곱arcmin의 영역을 커버.
• 불완전성과 적색편이 갭을 최소화하기 위해 옵티컬, 가까운 적외선, 중간 적외선 데이터를 활용한 새로운 색상 선택 기준 개발.
• 각각 z~4, 5, 6, 7, 8, 10에서 5859개, 3001개, 857개, 481개, 217개, 6개의 은하 후보 식별.
• 적색편이에 따라 UV LF를 Schechter 함수로 피팅하여 M*, φ*, α 측정.
• 다섯 개의 독립된 CANDELS 영역 간 은하 밀도 비교를 통해 천체적 변동성 정량화.
• 홀로 성장과 M/L ∝ (1+z)^{-1.5}를 가정한 조건부 빛의 세기 함수(CLF) 모델을 구축하여 관측된 LF 진화 재현.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UV 빛의 세기 함수는 z~4에서 z~10까지 Schechter 매개변수 측면에서 어떻게 진화하는가?
• RQ2 현상 간 변동성(천체적 변동성)은 고적색 은하의 관측된 밀도에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 UV LF 진화는 홀로 질량 함수와 M/L 진화를 기반으로 한 단순한 CLF 모델과 일치하는가?
• RQ4 희미한 끝 부분 기울기 α는 적색편이에 따라 상당히 진화하는가, 그리고 이 진화는 홀로 질량 함수 예측과 일치하는가?
• RQ5 z~10에서 고광도 은하의 역할은 M*의 진화를 제약하는 데 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• UV LF의 희미한 끝 부분 기울기 α는 z~4에서 α = -1.64 ± 0.04에서 z~7에서 α = -2.06 ± 0.13으로 상당히 기울어지며, 희미한 은하의 수가 급격히 증가함을 시사한다.
• 특성 magnitude M*는 z~7에서 z~4로의 진화에서 거의 변화가 없으며, 관측된 LF 진화는 주로 정규화 φ*의 변화에 의해 주도된다.
• 관측된 UV LF 진화는 Schechter 함수로 잘 기술되며, z~4에서 z~8 사이에서 비-Schechter 형태의 증거는 발견되지 않는다.
• 홀로 성장과 M/L ∝ (1+z)^{-1.5}를 기반으로 한 단순한 CLF 모델이 z~4에서 z~10까지의 모든 세 개의 Schechter 매개변수 진화를 성공적으로 재현한다.
• 체적 밀도 φ*는 φ* ∝ 10^{-0.27(z-6)}로 진화하며, 최적의 적합 관계는 φ* = (0.47_{-0.10}^{+0.11}) × 10^{-0.27(z-6)} × 10^{-3} Mpc^{-3}이다.
• z~10에서 고광도 은하(M_UV ≲ -21 mag)의 검출은 M*가 상당히 진화할 수 없음을 시사하며, 초기 은하 형성 모델을 제약한다.