[论文解读] Dust production 0.7-1.5 billion years after the Big Bang

M. J. Michałowski|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2015

Space exploration and regulation参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文通过将观测到的尘埃质量与渐近巨星分支（AGB）恒星和超新星（SNe）的理论尘埃产量进行比较，评估了高红移星系（z=4–7.5，大爆炸后0.7–1.5 Gyr）中宇宙尘埃的起源。研究发现，AGB恒星过于低效且稀少，无法解释观测到的尘埃质量；而超新星则需要接近最大效率的尘埃生产能力——这表明星际介质中的颗粒生长是最合理的替代尘埃形成机制。

ABSTRACT

Cosmic dust is an important component of the Universe, and its origin, especially at high redshifts, is still unknown. I present a simple but powerful method of assessing whether dust observed in a given galaxy could in principle have been formed by asymptotic giant branch (AGB) stars or supernovae (SNe). Using this method I show that for most of the galaxies with detected dust emission between z=4 and z=7.5 (1.5-0.7 billion years after the Big Bang) AGB stars are not numerous and efficient enough to be responsible for the measured dust masses. Supernovae could account for most of the dust, but only if all of them had efficiencies close to the maximal theoretically allowed value. This suggests that a different mechanism is responsible for dust production at high redshifts, and the most likely possibility is the grain growth in the interstellar medium.

研究动机与目标

• 确定渐近巨星分支（AGB）恒星或超新星（SNe）是否能够解释高红移星系中观测到的尘埃质量。
• 评估在红移z=4–7.5（对应大爆炸后0.7–1.5亿年）时，恒星源（AGB和SNe）作为主要尘埃生产者的可行性。
• 评估早期星系中观测到的尘埃质量是否超过AGB和SN源每颗恒星理论上允许的尘埃产量。
• 当恒星源不足以解释观测结果时，识别最可能的替代尘埃形成机制。

提出的方法

• 该方法将通过光谱能量分布（SED）建模获得的观测尘埃质量，与基于恒星质量及初始质量函数（IMF）假设推算出的尘埃产生恒星数量进行比较。
• 星系的恒星质量通过SED拟合估算（针对星系形成星系），并通过动力学质量与气体质量测量估算（针对类星体），采用M_star = M_dyn - M_gas 或 M_star < M_dyn 作为上限。
• 利用IMF斜率α计算AGB恒星（1–8 M☉）和超新星（8–40 M☉）的数量，其中质量下限在4<z<6时调整为2.5 M☉，在z>6时调整为3 M☉，以反映已完成主序演化阶段的恒星。
• 计算每颗恒星所需的尘埃产量为M_dust / N(M0–M1)，并与理论最大值进行比较以评估可行性。
• 使用因子f（将总恒星质量与某一质量区间内恒星数量关联）将每颗恒星的尘埃产量表示为M_dust/M_star，从而可与理论极限直接比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 渐近巨星分支（AGB）恒星能否在z=4–7.5的高红移星系中产生观测到的尘埃质量？
• RQ2 在假设现实尘埃生产效率的前提下，超新星（SNe）是否具备产生观测到的尘埃质量的能力？
• RQ3 为解释这些星系中观测到的尘埃质量，每颗AGB恒星或超新星所需的尘埃产量是多少？
• RQ4 观测到的尘埃质量是否超过了AGB和SN源每颗恒星理论上允许的最大尘埃产量？
• RQ5 如果恒星源不足以解释观测结果，何种替代尘埃形成机制可解释观测到的尘埃质量？

主要发现

• 对于4<z<5的亚毫米波星系，每颗AGB恒星所需的尘埃产量约为0.1 M☉，显著超过理论允许的最大值约0.04 M☉，因此排除了AGB恒星作为主要贡献者的可能性。
• 这些星系中每颗超新星所需的尘埃产量为0.2–0.7 M☉，接近或超过理论最大值约1 M☉，表明超新星仅在全部达到最大效率时才可能有贡献。
• 对于5<z<6.5的类星体，每颗AGB恒星所需的尘埃产量为0.1 M☉的若干倍，而每颗超新星的所需产量接近或超过1 M☉，表明恒星源在无极端效率的情况下无法提供足够尘埃。
• 对于z~7.1的类星体，所需产量较低（每颗AGB恒星约0.01 M☉，每颗超新星约0.02 M☉），因此恒星源可能有贡献，但可能性仍较低。
• 对于z~6.34和z~7.5的星系形成星系，每颗AGB恒星所需尘埃产量为0.1–1 M☉，而每颗超新星所需产量超过1 M☉，表明恒星源无法解释观测到的尘埃质量。
• 结果强烈表明，星际介质（ISM）中的颗粒生长是最合理的替代机制，因其时间尺度极短（约数十Myr），可使早期星系中迅速积累尘埃。