[論文レビュー] Starburst Intensity Limit of Galaxies at z~5-6

Nimish P. Hathi, Sangeeta Malhotra+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 35被引用数 47

ひとこと要約

本研究は、Hubble Ultra Deep Fieldの深宇宙データとGRAPES調査によるスペクトロスコピック赤方偏移を用いて、z~5–6の銀河における星形成爆発の強度限界を測定した。星形成爆発の最大表面輝度が宇宙時間にわたって一定であることが判明し、星形成強度に普遍的な物理的限界があることを示唆しており、サイズやダスト含量のわずかな進化が観測された。

ABSTRACT

The peak star formation intensity in starburst galaxies does not vary significantly from the local universe to redshift z~6. We arrive at this conclusion through new surface brightness measurements of 47 starburst galaxies at z~5-6, doubling the redshift range for such observations. These galaxies are spectroscopically confirmed in the Hubble Ultra Deep Field (HUDF) through the GRism ACS program for Extragalactic Science (GRAPES) project. The starburst intensity limit for galaxies at z~5-6 agree with those at z~3-4 and z~0 to within a factor of a few, after correcting for cosmological surface brightness dimming and for dust. The most natural interpretation of this constancy over cosmic time is that the same physical mechanisms limit starburst intensity at all redshifts up to z~6 (be they galactic winds, gravitational instability, or something else). We do see two trends with redshift: First, the UV spectral slope of galaxies at z~5-6 is bluer than that of z~3 galaxies, suggesting an increase in dust content over time. Second, the galaxy sizes from z~3 to z~6 scale approximately as the Hubble parameter 1/H(z). Thus, galaxies at z~6 are high redshift starbursts, much like their local analogs except for slightly bluer colors, smaller physical sizes, and correspondingly lower overall luminosities. If we now assume a constant maximum star formation intensity, the differences in observed surface brightness between z~0 and z~6 are consistent with standard expanding cosmology and strongly inconsistent with tired light model.

研究の動機と目的

• 深宇宙Hubbleイメージングとスペクトロスコピック赤方偏移を用いて、高赤方偏移銀河（z~5–6）における星形成爆発の強度限界を測定すること。
• 局所の星形成爆発銀河で観測された最大星形成強度が、初期宇宙でも保持されているかどうかを検証すること。
• z~3からz~6にかけての銀河サイズとUVスペクトル傾き（β）の進化を調査すること。
• 観測された表面輝度の進化が、標準的拡張宇宙モデルと比較して、代替の疲弊光宇宙論と整合するかどうかを評価すること。
• 観測された色の傾向が、ダスト減光か、内在的な物理的プロセスに起因するかを特定すること。

提案手法

• z~5–6のスペクトロスコピックに確認された47個の星形成爆発銀河について、Hubble Ultra Deep Field（HUDF）の深宇宙ACS F435W, F606W, F775W, F850LPイメージングを取得した。
• Meurerら（1997）の手法を用いて有効表面輝度を測定し、全光度の半分を含む開口部内の平均輝度として定義した。
• Weedman ら（1998）のピクセルベース手法を応用し、各銀河の最も明るいピクセルからピーク表面輝度を推定した。
• rest-frame UV色と星族合成モデル（STARBURST99）を用いて、宇宙論的表面輝度減光とダスト減光を補正した。
• HubbleパラメータH⁻¹(z)と比較して、表面輝度およびサイズの進化をテストした。
• STARBURST99モデルを用いて、金属量、IMF、星形成歴に依存するUVスペクトル傾き（β）の依存性を調査し、ダスト効果を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属量や銀河サイズの違いにもかかわらず、z~0からz~6にかけて星形成爆発銀河の最大星形成強度は一定であるか？
• RQ2 高赤方偏移星形成爆発銀河の物理的サイズは、宇宙時間にどのようにスケーリングするか？また、H⁻¹(z)の進化に従うか？
• RQ3 z~5–6における観測されたより青いUVスペクトル傾き（β）は、z~3と比較して、ダストか、星族の内在的性質に起因するか？
• RQ4 表面輝度測定における系統的誤差が、星形成爆発強度限界の一定性にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 観測された表面輝度の進化は、標準的拡張宇宙モデルを支持するか、それとも代替の疲弊光宇宙論を矛盾させるか？

主な発見

• 宇宙論的減光およびダスト減光補正後、z~5–6における星形成爆発強度限界は、z~3–4およびz~0と3倍以内の誤差で一致している。
• z~5–6における銀河サイズはH⁻¹(z)にほぼ比例してスケーリングしており、高赤方偏移星形成爆発銀河が局所の対応物よりも物理的に小さいことを示している。
• z~5–6における平均UVスペクトル傾き（β）はβ = –1.74 ± 0.35であり、z~3におけるβ = –1.1 ± 0.2と比較して顕著に青色であり、低赤方偏移でダスト含量が増加していることを示している。
• STARBURST99モデリングにより、観測されたβの進化は、金属量やIMFの変化ではなく、時間経過に伴うダスト減光の増加によって最もよく説明される。
• z~0からz~6にわたる表面輝度の一定性は、標準的拡張宇宙モデルを強く支持しており、疲弊光仮説を排除する。
• 物理的サイズが小さく、明るさも低いにもかかわらず、高赤方偏移星形成爆発銀河は、局所の類縁体と同等のピーク表面輝度を維持しており、星形成強度に普遍的な物理的上限があることを示唆している。