[논문 리뷰] Probing feedback in high-$z$ galaxies using extended UV luminosity functions

Saumyadip Samui, R. Srianand외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 15.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 고적도 우주선형성 함수(1.5 ≤ z ≤ 8)를 해석하기 위해 반분석적 은하 형성 모델을 사용하며, z > 6에서도 초신성 폭발 피드백이 희미한 끝 부분 기울기를 재현하기 위해 필수적임을 보여준다. 모델은 z < 2.5에서 관측된 함수의 상승 기울기를 설명하기 위해 수동적이고 천천히 진화하는 은하 집단이 기여한다는 것을 드러내며, 빛나는 끝 부분은 z < 4에서 AGN 피드백이 필요하고, 향후 깊은 탐사가 피드백 방식을 구분하고 은하 진화 매개변수를 제약할 것이다.

ABSTRACT

We fit the recently updated UV luminosity functions (LF) of high-$z$ ($1.5\le z\le8.0$) galaxies using our semi-analytical models of galaxy formation that take into account various feedback processes. In order to reproduce the overall redshift evolution we require the efficiency of converting gas into stars to decrease with decreasing redshift. Even for $z\ge 6$, our models require supernovae (SNe) feedback to reproduce the observed LF suggesting the prevalence of galactic winds that could have polluted the inter-galactic medium even at very high redshifts. The observed LF in the low luminosity end for $z&lt;2.5$ shows an upward turn. In our models we reproduce this trend using passively evolving population of galaxies. Measuring stellar mass, age and metallicity of these galaxies using multi-band spectral energy distribution (SED) fitting will place strong constraints on the existence of such galaxies. While Active galactic Nuclei (AGN) feedback is essential to reproduce the LF at high luminosity end for $z&lt;4$, it may not needed in the case of $z\ge 6$. We show that the expected turn around in the LF due to cooling criteria occurs at luminosity much lower than what has been probed with present day observations. With future deep observations, that can measure the LF more accurately, we will be able to distinguish between different modes of SNe feedback and get insights into the physical processes that drive the galaxy evolution.

연구 동기 및 목표

• 고적도 은하(1.5 ≤ z ≤ 8)의 우주선형성 함수(LF)를 형성하는 데 기여하는 초신성, 복사, AGN 피드백 과정의 역할을 이해하기 위해.
• 다양한 적도에서 관측된 LF가 변화하는 별 형성 효율성과 다수의 피드백 메커니즘을 포함한 반분석적 모델에 의해 재현될 수 있는지 테스트하기 위해.
• 특히 z < 2.5에서의 저광도 상승 기울기를 고려할 때, 관측된 LF 형태와 비교함으로써 고적도에서 수동적이고 천천히 진화하는 은하의 존재와 특성을 제약하기 위해.
• 향후 깊은 관측을 통해 피드백 서명(예: 운동량-기반 vs. 에너지-기반 풍속)을 탐지 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 어두운 물질 헬로 밀도 함수에서 출발하여 별 형성과 피드백 과정을 포함한 반분석적 은하 형성 모델을 사용한다.
• 순환 속도(v_c*)에 비례하는 질량 유출률을 통해 초신성 피드백을 포함하며, 풍속 효율성과 지속 시간(κ)을 조정 가능한 매개변수로 설정한다.
• 메타우주적 UV 배경으로부터의 복사 피드백을 포함하여 LF의 희미한 끝 부분 기울기에 영향을 미친다.
• 대량 헬로에서 AGN 피드백을 억제 메커니즘으로 구현하며, 조정 가능한 정규화를 포함한다.
• 모델 예측을 깊은 탐사 및 렌즈 효과 연구에서 확보한 관측된 우주선형성 함수와 비교하며, 1.5 ≤ z ≤ 8 범위에서 M_UV는 -12.5에서 -26까지 다양하다.
• 저광도 은하의 별 질량, 연령, 금속성을 다중 대역 SED 피팅을 통해 추정하여 수동적 은하 집단 가설을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z > 6에서 고적도 은하의 우주선형성 함수 형성에 초신성 피드백이 중요한 역할을 하는가?
• RQ2 z < 2.5에서 관측된 우주선형성 함수의 상승 기울기는 반분석적 모델에서 수동적으로 진화하는 은하 집단에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ3 z < 4에서 우주선형성 함수의 빛나는 끝 부분 기울기를 재현하기 위해 AGN 피드백이 필요하며, z ≥ 6에서는 그 중요성이 감소하는가?
• RQ4 냉각 조건에 의해 유도되는 LF의 전환점에 해당하는 광도 척도는 무엇이며, 현재 관측 가능성 범위 내에 있는가?
• RQ5 향후 깊은 탐사를 통해 고적도 은하에서 운동량-기반과 에너지-기반 풍속 피드백 방식을 어떻게 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 우주선형성 함수의 적도 진화는 감소하는 별 형성 효율성(f*/η)에 의해 필요로 하며, 이는 기체 전환 효율 감소와 일치한다.
• z > 6에서도 우주선형성 함수의 희미한 끝 부분 기울기를 재현하기 위해 초신성 피드백이 필수적이다; 복사 피드백만으로는 부족하다.
• 모델은 z > 6에서 LF의 저광도 끝 부분에서 M_UV ≈ -13 근처에서 전환점이 존재한다고 예측하며, 이는 현재 관측 한계 이하이다.
• z < 2.5에서 관측된 LF의 상승 기울기(M_UV > -15)는 헬로 질량 10^9에서 10^11 M☉ 사이의 수동적이고 천천히 진화하는 은하 집단에 의해 재현된다.
• z < 4에서 빛나는 끝 부분 LF를 재현하기 위해 AGN 피드백이 필요하지만, z ≥ 6에서는 초신성 피드백만으로도 충분하다.
• 향후 깊은 관측은 운동량-기반과 에너지-기반 풍속 피드백을 구분할 수 있으며, 질량 유출률 정규화(η_w)를 제약하고, SED 피팅을 통해 고적도 수동 은하의 존재를 검증할 수 있다.