[论文解读] Are Ultra-faint Galaxies at z=6-8 Responsible for Cosmic Reionization ? Combined Constraints from the Hubble Frontier Fields Clusters and Parallels

Hakim Atek, Johan Richard+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

利用深空哈勃前沿场成像和先进的引力透镜模型，本研究以前所未有的深度测量了红移 z≈6–8 时星系的 rest-frame 紫外光度函数（UV LF），发现其在 M_UV = −15.25 处的暗端斜率极陡（α = −2.04），表明超暗星系很可能对宇宙再电离有显著贡献，且电离逃逸率 >10% 即足以维持 z≈7 时的电离状态。

ABSTRACT

We use deep Hubble Space Telescope imaging of the Frontier Fields to accurately measure the galaxy rest-frame ultraviolet luminosity function (UV LF) in the redshift range $z \\sim 6-8$. We combine observations in three lensing clusters A2744, MACS0416, MACS0717 and their associated parallels fields to select high-redshift dropout candidates. We use the latest lensing models to estimate the flux magnification and the effective survey volume in combination with completeness simulations performed in the source plane. We report the detection of 227 galaxy candidates at $z=6-7$ and 25 candidates at $z \\sim 8$. While the total survey area is about 4 arcmin$^{2}$ in each parallel field, it drops to about 0.6 to 1 arcmin$^{2}$ in the cluster core fields because of the strong lensing. We compute the UV luminosity function at $z \\sim 7$ using the combined galaxy sample and perform Monte Carlo simulations to determine the best fit Schechter parameters. We are able to reliably constrain the LF down to an absolute magnitude of $M_{UV}=-15.25$, which corresponds to 0.005$L^{\\star}$. More importantly, we find that the faint-end slope remains steep down to this magnitude limit with $\\alpha=-2.04_{-0.17}^{+0.13}$. Our results confirm the most recent results in deep blank fields but extend the LF measurements more than two magnitudes deeper. The UV LF at $z \\sim 8$ is not very well constrained below $M_{UV}=-18$ due to the small number statistics and incompleteness uncertainties. To assess the contribution of galaxies to cosmic reionization we derive the UV luminosity density at $z\\sim7$ by integrating the UV LF down to an observationally constrained limit of $M_{UV} = -15$. We show that our determination of Log($\ ho_{UV}$)=$26.2\\pm0.13$ (erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$ Mpc$^{-3}$) can be sufficient to maintain the IGM ionized.

研究动机与目标

• 与以往的空白场巡天相比，以更高的深度和精度约束 z≈6–8 时高红移星系的 rest-frame 紫外光度函数（UV LF）。
• 通过测量 z≈7 和 z≈8 时的紫外光度密度，评估暗星系对宇宙再电离的贡献。
• 利用哈勃前沿场星系团的强引力透镜效应，探测并表征原本无法探测到的极暗、高红移星系。
• 通过源平面内的完备性模拟和透镜放大校正，改进对 UV LF 暗端斜率的约束。
• 评估星系的电离光子预算，并确定维持 z≈7 时再电离所需的电离辐射逃逸分数。

提出的方法

• 结合三个前沿场星系团（A2744、MACS0416、MACS0717）及其并行场的深空哈勃空间望远镜（HST）成像，以最大化巡天体积和深度。
• 应用 CATS 团队（Jauzac et al., 2014, 2015；Limousin et al., 2015）的最新透镜模型，校正放大效应并重建源平面几何结构。
• 在源平面内进行完备性模拟，以考虑透镜效应、放大偏差和巡天深度的影响，实现准确的体积校正。
• 采用莱曼断峰测光选择法（dropout 技术）在星系团和并行场中识别 z≈6–7 和 z≈8 的高红移星系候选体。
• 应用蒙特卡洛模拟拟合 Schechter 函数参数（α、M*、φ*）至观测到的 UV LF，误差传播基于放大率和完备性中的不确定性。
• 将 UV LF 积分至 M_UV = −15，以计算紫外光度密度（ρ_UV），并估算维持再电离所需的电离逃逸分数（f_esc）。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用透镜增强的深成像，星系在 z≈6–8 时的紫外光度函数（UV LF）形状如何，特别是在暗端？
• RQ2 在 z≈6–8 时，超暗星系（M_UV ≈ −15.25）是否能提供足够的电离光子以维持 z≈7 时的宇宙再电离？
• RQ3 与以往的空白场巡天相比，z≈7 时 UV LF 的暗端斜率（α）如何？这对星系在再电离中的贡献有何含义？
• RQ4 z≈7 时的紫外光度密度（ρ_UV）是多少？维持再电离所需的电离辐射逃逸分数（f_esc）是多少？
• RQ5 与 z≈7 时的 UV LF 约束相比，z≈8 时的 UV LF 约束如何？其主要限制因素是什么？

主要发现

• 在 z≈7 时，UV 光度函数可可靠地约束至 M_UV = −15.25，相当于 0.005 L*，比以往的空白场研究更深超过两个星等。
• UV 光度函数的暗端斜率保持陡峭，α = −2.04⁺⁰.¹³₋₀.¹⁷，表明在 z≈7 时存在大量暗淡、低光度星系。
• z≈7 时的最佳拟合 Schechter 参数为 M* = −20.89⁺⁰.⁶⁰₋₀.⁷² 和 log(φ*) = −3.54⁺⁰.⁴⁸₋₀.⁴⁵，与近期空白场结果一致，但延伸至更暗的星等。
• z≈7 时的紫外光度密度测量为 log(ρ_UV) = 26.2 ± 0.13 erg s⁻¹ Hz⁻¹ Mpc⁻³，若电离逃逸分数 f_esc > 10–15%，则足以维持再电离。
• 在 z≈8 时，由于仅在最暗星等区间检测到两个星系，UV 光度函数在 M_UV = −18 以下的约束较差，但数据仍与以往研究一致。
• 透镜放大效应与源平面内完备性模拟的结合，使得即使在高放大率但有效体积较小的星系团核心区域，也能对暗星系实现稳健探测与流量校正。