[논문 리뷰] Constraints on the First Galaxies: z~10 Galaxy Candidates from HST WFC3/IR

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth외 9명|arXiv (Cornell University)|2009. 12. 22.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 허블 우주망원경 WFC3/IR의 HUDF09 설문에서 두 해 치 자료를 사용하여 z ~ 10 은하 후보를 탐색하였으며, z ~ 10 시점의 별 형성률 밀도가 z ~ 8 시점의 약 10%에 불과하다는 것을 밝혀내어 빅뱅 이후 약 500백만 년 이내에 은하가 빠르게 형성된다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Searches for very-high-redshift galaxies over the past decade have yielded a large sample of more than 6,000 galaxies existing just 900-2,000 million years (Myr) after the Big Bang (redshifts 6 > z > 3; ref. 1). The Hubble Ultra Deep Field (HUDF09) data have yielded the first reliable detections of z ~ 8 galaxies that, together with reports of a gamma-ray burst at z ~ 8.2 (refs 10, 11), constitute the earliest objects reliably reported to date. Observations of z ~ 7-8 galaxies suggest substantial star formation at z > 9-10. Here we use the full two-year HUDF09 data to conduct an ultra-deep search for z ~ 10 galaxies in the heart of the reionization epoch, only 500 Myr after the Big Bang. Not only do we find one possible z ~ 10 galaxy candidate, but we show that, regardless of source detections, the star formation rate density is much smaller (~10%) at this time than it is just ~200 Myr later at z ~ 8. This demonstrates how rapid galaxy build-up was at z ~ 10, as galaxies increased in both luminosity density and volume density from z ~ 8 to z ~ 10. The 100-200 Myr before z ~ 10 is clearly a crucial phase in the assembly of the earliest galaxies.

연구 동기 및 목표

• 심층 허블 우주망원경 관측을 통해 재이온화 시대의 z ~ 10 은하 후보를 특정하고 그 성질을 제약하는 것.
• z ~ 10 시점의 별 형성률 밀도를 측정하고 z ~ 8 시점과 비교하여 초기 은하 형성 속도를 이해하는 것.
• 특히 빅뱅 직후의 중요한 시기인 z ~ 10에서 z ~ 8 사이의 은하 형성의 진화 단계를 조사하는 것.
• z ~ 10 시점에서 관측된 별 형성 활동이 초기 은하 형성 및 재이온화 모델과 일치하는지 평가하는 것.

제안 방법

• WFC3/IR 기구를 통해 확보한 허블 초초심도장 2009(HUDF09)의 전체 두 해 치 자료를 활용하여 초심층 적인 적외선 탐사 수행.
• 특히 라이만 브레이크 기법을 활용해 적색이동된 SED를 기반으로 고적색편이 은하 후보를 식별하기 위해 깊은 광학적 분석 수행.
• 검출되지 않은 소스들을 스택하여 z ~ 10 시점의 별 형성률 밀도를 정량화하고, 알려진 z ~ 8 측정치와 비교.
• 검출되지 않았을 경우를 가정하고 통계 모델링을 통해 z ~ 10 시점의 별 형성률 밀도 상한을 추정.
• z ~ 10 시점의 유도된 별 형성률 밀도를 z ~ 8 시점과 비교하여 은하 진화 속도를 추론.
• 광도 및 체적 밀도 추정치를 적용하여 z ~ 10에서 z ~ 8 사이의 은하 집단 성장 정도 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ~ 10 시점의 별 형성률 밀도는 얼마이며, z ~ 8 시점과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 HUDF09 초심층 적외선 자료에서 검출 가능한 z ~ 10 은하 후보가 존재하는가?
• RQ3 z ~ 10에서 z ~ 8 사이에 은하의 광도와 체적 밀도는 얼마나 빠르게 증가했는가?
• RQ4 비검출 결과는 z ~ 10 시점의 초기 별 형성 역사를 어떤 제약을 둔다?
• RQ5 관측된 진화 양상은 재이온화 시대의 은하 형성 타임라인을 어떻게 설명하는가?

주요 결과

• HUDF09 자료에서 z ~ 10 은하 후보가 한 명 확인되었지만, 그 확인은 여전히 불확실하다.
• z ~ 10 시점의 별 형성률 밀도는 z ~ 8 시점의 약 10%에 불과하다는 것이 추정되어, 이 시기의 별 형성 활동이 상당히 감소했음을 시사한다.
• 낮은 별 형성률 밀도에도 불구하고, z ~ 10 시점의 은하 집단은 z ~ 8 시점과 비교해 광도와 체적 밀도 모두 급격한 성장을 보였다.
• z ~ 10 이전의 100~200백만 년 간격은 첫 은하 형성의 핵심 단계로 규명되었다.
• 자료는 빅뱅 이후 첫 500백만 년 동안 은하 구축이 매우 빠르게 일어났음을 시사하며, z ~ 10에서 z ~ 8 사이에 수량과 밝기가 모두 급격히 증가했다.
• 강한 검출이 없음을 고려할 때, 초기 은하는 어두웠거나 z ~ 10 시점에서 별 형성 효율이 낮았을 가능성이 있다.