[论文解读] Life beyond 30: probing the -20

Pablo G. Pérez‐González, Luca Costantin+42 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用 6

一句话总结

本研究基于MIRI深空 Survey 的并行场40小时深度NIRCam观测，测量了红移8 < z < 13范围内的紫外光度函数及宇宙星形成率密度。共识别出44个z > 8的星系候选体，发现光度函数演化较缓，其暗端幂律指数α = −2.2 ± 0.1，特征绝对星等M* = −20.8 ± 0.2 mag，表明星形成活动随时间增长缓慢。

ABSTRACT

We present the ultraviolet luminosity function and an estimate of the cosmic star formation rate density at $88$ galaxy candidates based on their dropout nature in the F115W and/or F150W filters, a high probability for their photometric redshifts, estimated with three different codes, being at $z&gt;8$, good fits based on $χ^2$ calculations, and predominant solutions compared to $z&lt;8$ alternatives. We find mild evolution in the luminosity function from $z\sim13$ to $z\sim8$, i.e., only a small increase in the average number density of $\sim$0.2 dex, while the faint-end slope and absolute magnitude of the knee remain approximately constant, with values $α=-2.2\pm0.1$ and $M^*=-20.8\pm0.2$ mag. Comparing our results with the predictions of state-of-the-art galaxy evolution models, we find two main results: (1) a slower increase with time in the cosmic star formation rate density compared to a steeper rise predicted by models; (2) nearly a factor of 10 higher star formation activity concentrated in scales around 2 kpc in galaxies with stellar masses $\sim10^8$ M$_\odot$ during the first 350 Myr of the Universe, $z\sim12$, with models matching better the luminosity density observational estimations $\sim$150 Myr later, by $z\sim9$.

研究动机与目标

• 利用深度近红外成像测量红移范围8 < z < 13的紫外光度函数。
• 基于星系计数结果，估算高红移（8 < z < 13）的宇宙星形成率密度。
• 通过多波段dropout选星与光谱红移估计，识别并验证高红移星系候选体（z > 8）。
• 将观测得到的光度函数与星系演化模型的最新预测进行比较。
• 评估光度函数暗端幂律指数与特征绝对星等随宇宙时向的演化情况

提出的方法

• 在F115W、F150W与F277W波段进行40小时深度NIRCam观测，达到5σ深度F277W = 30.8。
• 通过F115W和/或F150W波段的dropout选星法识别z > 8星系候选体，并要求三个独立代码计算的光谱红移结果一致。
• 采用卡方（χ²）最小化方法评估模型拟合优度，并选择在z > 8与z < 8候选中具有主导概率的解。
• 基于绝对星等M_UV分箱中星系的观测数密度构建紫外光度函数。
• 利用标准换算因子，从光度函数估算宇宙星形成率密度。
• 将结果与最新星系演化模型的预测进行比较，以评估一致性

实验结果

研究问题

• RQ1 从z ~ 13到z ~ 8，紫外光度函数如何演化，特别是在暗端幂律指数与特征绝对星量方面？
• RQ2 在8 < z < 13红移范围内，宇宙星形成率密度是多少？与模型预测相比如何？
• RQ3 观测到的星系数与红移分布在多大程度上与当前星系演化模型一致？
• RQ4 高红移候选体的光谱红移估计是否稳定？对z > 8分类的置信度如何？
• RQ5 在该红移范围内，光度函数的暗端幂律指数α或特征绝对星等M*是否存在显著演化？

主要发现

• 紫外光度函数从z ~ 13到z ~ 8仅表现出微弱演化，平均星系数密度增加约0.2 dex。
• 暗端幂律指数保持恒定，为α = −2.2 ± 0.1，表明暗端星系相对数量无显著变化。
• 特征绝对星等M*为−20.8 ± 0.2 mag，在红移范围8 < z < 13内保持一致。
• 宇宙星形成率密度随时间的增长速度慢于当前星系演化模型的预测。
• 观测到的光度函数与随时间星形成率密度演化较慢的模型最为匹配。
• 样本包含44个可靠的z > 8星系候选体，其光谱红移经多个独立代码验证，并通过χ²模型拟合确认。