[论文解读] Candidate z~8-9 Galaxies from WFC3 Imaging

Silvio Lorenzoni, Andrew J. Bunker+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 8被引用 47

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜/WFC3近红外成像，在红移 z≈8–9 的范围内识别出24个候选星系，采用莱曼断点技术检测Y-跌落（由于莱曼-α森林吸收导致的Y–J色指数较大）。该巡天覆盖了多个深空场的约50平方弧分区域，与以往仅基于HUDF的研究相比，将可靠Y-跌落候选星系的数量增加了三倍，并首次提供了统计上显著的样本，用于约束z≈8–9时的紫外光度函数，揭示了M*随红移增加而显著演化，即在更高红移处明亮星系更少。

ABSTRACT

We present a search for galaxies at 7.6

研究动机与目标

• 利用哈勃望远镜/WFC3近红外成像和莱曼断点技术，搜寻红移z≈8–9的高红移星系。
• 识别Y-跌落候选星系——即由于莱曼-α森林吸收导致(Y–J)色指数较大，且(J–H)色指数与低红移污染源（如尘埃遮蔽或演化星系）不一致的星系。
• 在超出哈勃极深空场（HUDF）范围的区域，增加z≈8–9星系候选者的数量，以改善对紫外光度函数的统计约束。
• 通过评估不同假设下（如暗端斜率和初始质量函数）的电离光子预算，评估这些星系对宇宙再电离的贡献。
• 确定z≈8–9的星系形成星系是否能提供足够的电离光子以实现宇宙再电离，特别是低于探测极限时的情况。

提出的方法

• 利用HST/WFC3在Y、J和H波段的近红外数据，通过较大的(Y–J)色指数识别Y-跌落候选星系，表明在z≈8–9时存在莱曼-α森林吸收。
• 采用色指数-色指数选择法，利用(J–H)色指数排除低红移污染源，如尘埃遮蔽或演化星系。
• 整合哈勃极深空场（HUDF）和另外两个深空场的数据，将巡天面积扩大至约50平方弧分。
• 在最深的场（HUDF）中进行光度红移估计和源检测，极限星等为J_AB ≈ 28.5；在广域ERS数据中，极限星等为J_AB ≈ 27.2。
• 对样本拟合紫外Schechter光度函数，首次在足够统计量下估算出z≈8–9时的φ*和M*。
• 通过积分至M_UV = -8，假设采用Salpeter初始质量函数和α = -1.7，评估电离光子预算，并探讨低金属丰度或顶重初始质量函数的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在比HUDF更广的区域，利用WFC3 Y-跌落选择法，能识别出多少个可靠的z≈8–9星系候选者？
• RQ2 从z≈6–7到z≈8–9，紫外光度函数（特别是M*和φ*）如何演化？
• RQ3 探测到的z≈8–9星系是否能提供足够的电离光子以贡献于宇宙再电离，特别是在积分至更暗星等时？
• RQ4 对暗端斜率（α）和初始质量函数（IMF）的假设如何影响z≈8–9时的总电离光子预算？
• RQ5 z≈6–9星系中观测到的蓝色紫外谱指数（β < -2）是否可由低金属丰度种群或顶重初始质量函数解释，这对再电离有何影响？

主要发现

• 该巡天在约50平方弧分的区域内识别出24个z≈8–9星系候选者，其中15个为可靠候选者，9个为较边缘但与高红移一致的候选者。
• 与以往仅基于HUDF的巡天相比，可靠Y-跌落候选星系数量增加了三倍，且候选星系的亮度更高（J_AB ≈ 27.0），优于HUDF中候选星系的亮度（J_AB > 28.0），从而提升了光谱后续观测的可行性。
• z≈8–9时的紫外Schechter光度函数显示出显著演化，M*变得更暗，而φ*相对保持不变，表明演化主要体现在M*上。
• 仅靠探测到的星系尚不足以提供足够的电离通量以实现宇宙再电离；即使积分至M_UV = -8，若电离逃逸率f_esc < 0.5，电离光子预算仍显不足。
• 若暗端斜率更陡（α < -1.7）或存在低金属丰度种群（或顶重初始质量函数），可能填补电离光子预算的缺口，但需更深层数据（可能来自詹姆斯·韦布空间望远镜）加以验证。
• 在z≈6–9星系中观测到的蓝色紫外谱指数（β < -2）暗示可能存在低金属丰度或顶重初始质量函数，这可能增强单位紫外光度的电离输出。