[논문 리뷰] Very low-luminosity galaxies in the early universe have observed sizes similar to single star cluster complexes

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 06.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 11인용 수 39

한 줄 요약

이 연구는 허블 프론티어 필드에서 관측한 307개의 희미한 z = 6–8 은하의 크기와 밝기를 분석하여, 고도로 발전된 렌즈 모델을 활용해 가장 작은, 가장 어두운 천체들(약 ~11 pc까지)이 30도르라우스와 같은 단일 항성 집단 복합체와 유사한 크기와 밝기를 가짐을 밝혀냈다. 결과적으로 이러한 밀집된 천체들은 초기 우주에서의 원형 별개구조의 후보로 여겨지며, 극단적인 형성 모델을 강력하게 배제하고 있으며, 우리는 초기 우주에서 별개구조 형성의 감지 한계에 매우 가까이 도달한 것으로 보인다.

ABSTRACT

We compare the sizes and luminosities of 307 faint z=6-8 sources revealed by the Hubble Frontier Fields (HFF) program with sources in the nearby universe. Making use of the latest lensing models and data from the first four HFF clusters with an extensive suite of public lens models, we measure both the sizes and luminosities for 153 z~6, 101 z~7, and 53 z~8 galaxies. The sizes range over more than a decade from ~500 to <50 pc. Extremely small sizes are inferred for many of our lowest luminosity sources, reaching individual sizes as small as 10-30 pc (the smallest is 11(-6)(+28) pc). The uncertainty in these measures ranges from 80 pc for the largest sources to typically about 20 pc for the smallest. Such sizes are smaller than extrapolations of the size-luminosity relation, and expectations for the completeness of our faint samples, suggesting a likely break in the size-luminosity relation at ~-17 mag with size proportional to L**(0.50(-0.11)(+0.10)). The sizes and luminosities of the lowest-luminosity sources are similar to those of single star cluster complexes like 30 Doradus in the lower-redshift universe and -- in a few cases -- super star clusters. Remarkably, our identification of these compact, faint star-forming sources in the z~6-8 universe also allow us to set upper limits on the proto-globular cluster LF at z~6. Comparisons with recent models allow us to rule out (with some caveats) some scenarios for proto-globular cluster formation and set useful upper limits on other less extreme ones. Our results suggest we may be very close to discovering a bona-fide population of forming globular clusters at high redshift.

연구 동기 및 목표

• 깊은 허블 이미징과 중력 렌즈를 활용해 z = 6–8에서 매우 낮은 밝기의 은하의 물리적 크기와 밝기를 측정한다.
• 이전 연구에서 제안된 M_UV ≈ -17 mag에서 크기-밝기 관계가 끊어지는지 테스트한다.
• 고적색 은하의 크기와 밝기를 30도르라우스와 같은 근접한 항성 체계, 예를 들어 별집단 복합체와 초별집단과 비교한다.
• 관측된 크기와 밝기 분포를 바탕으로 z ≈ 6에서의 원형 별개구조 밝기 함수에 상한선을 제시한다.
• 관측 제약 조건에 기반해 현재 이론적 모델이 원형 별개구조 형성에 얼마나 타당한지 평가한다.

제안 방법

• 첫 네 개의 허블 프론티어 필드 클러스터에서 공개된 가장 정교한 중력 렌즈 모델을 활용해 153개의 z ≈ 6, 101개의 z ≈ 7, 53개의 z ≈ 8 은하의 물리적 크기를 복원하고 측정한다.
• 확대 인자 최대 약 ~20까지 가능한 매개변수 기반의 렌즈 모델을 적용하고, Meneghetti 등(2017)과 같은 독립적 연구로 검증된 바 있어 관측된 크기와 밝기를 보정한다.
• 렌즈 효과를 거친 이미지의 분해능 있는 구조에 Sersic 프로파일 피팅을 통해 크기를 측정하며, 가장 작은 천체의 경우 약 ~20 pc, 가장 큰 천체의 경우 약 ~80 pc의 오차 범위를 가진다.
• 고적색 은하의 크기-밝기 분포를 근접한 항성 체계(예: 30도르라우스, 초별집단 등)와 비교해 형태학적 유사체를 식별한다.
• Bouwens 등(2017b)에서 제시한 관측된 UV 밝기 함수와 크기 제약 조건을 결합해 z ≈ 6에서의 원형 별개구조 밝기 함수에 상한선을 도출한다.
• Boylan-Kolchin(2017a) 등에서 제안한 원형 별개구조 형성 이론 모델을 테스트하기 위해 예측된 밀집 천체의 수와 관측된 상한선을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 6–8에서 가장 작은, 가장 희미한 은하들이 지역 우주에서 알려진 별집단 복합체와 유사한 물리적 크기를 가지는가?
• RQ2 M_UV ≈ -17 mag에서 크기-밝기 관계가 끊어지며, 낮은 밝기에서의 저밀도 은하의 구조적 특성에 근본적인 변화가 있는가?
• RQ3 가장 밀집하고 희미한 z ≈ 6–8 천체들이 크기와 밝기로 볼 때 원형 별개구조로 식별될 수 있는가?
• RQ4 이 천체들의 관측된 크기와 밝기가 원형 별개구조 형성 이론 모델에 어떤 제약을 끼치는가?
• RQ5 현재의 허블 프론티어 필드 관측은 초기 우주에서 진정으로 형성 중인 별개구조를 감지하기에 충분한가?

주요 결과

• 샘플에서 가장 작은 천체들은 물리적 크기가 최소 11+28/-6 pc까지 작으며, 가장 작은 시스템의 일반적인 오차는 약 ~20 pc이다.
• 크기-밝기 관계는 M_UV ≈ -17 mag에서 끊어지며, 기울기는 r ∝ L^{0.50_{-0.11}^{+0.10}} 로 나타나 낮은 밝기에서 근본적인 구조적 차이가 있음을 시사한다.
• 가장 낮은 밝기 천체들의 크기와 밝기는 30도르라우스와 같은 단일 별집단 복합체 및 근접한 우주에서의 초별집단과 일치한다.
• 밀집 천체의 수에 대한 관측된 상한선은 ξ = 10인 극단적인 원형 별개구조 형성 모델을 배제한다. 유일한 예외는 이러한 별개구조가 주변 은하 빛에서 감지되지 않는 경우이다.
• Boylan-Kolchin(2017a)의 ξ = 1 모델과 결과가 일치하며, M_UV ≈ -15.5 mag 선택 기준에서 가장 작은 천체의 약 50%가 원형 별개구조일 수 있음을 시사한다.
• 이 연구는 현재 관측 결과가 진정으로 형성 중인 별개구조를 초기 우주에서 감지할 수 있는 수준에 매우 가까이 도달했음을 결론내린다. 만약 아직 식별되지 않았다면, 이미 발견된 것일 수 있다.