[論文レビュー] The Cosmic Star Formation Rate from the Faintest Galaxies in the Unobservable Universe

Matthew D. Kistler, Hasan Yüksel+1 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 7被引用数 29

ひとこと要約

この論文は、高赤方偏移におけるガンマ線バースト（GRB）とライマンブレイク銀河（LBG）の観測を統合し、赤方偏移z ≈ 8までに、UVマグニチュード関数をM_UV ≈ -10まで統合することで、LBGとGRBに基づく星形成率（SFR）密度推定値の不一致を解消することを示している。さらに、z ≈ 11までにゆっくりとSFR密度が低下することを示唆し、再正義化期に観測されていない微弱な矮星銀河の多数が存在することを示唆している。GRBは、こうした見えない星形成を探索するためのプローブとして機能する。

ABSTRACT

Observations of high-z galaxies and gamma-ray bursts now allow for empirical studies during reionization. However, even deep surveys see only the brightest galaxies at any epoch and must extrapolate to arbitrary lower limits to estimate the total rate of star formation. We first argue that the galaxy populations seen in LBG surveys yield a GRB rate at z > 8 that is an order of magnitude lower than observed. We find that integrating the inferred UV luminosity functions down to M_UV ~ -10 brings LBG- and GRB-inferred SFR density values into agreement up to z ~ 8. GRBs, however, favor a far larger amount of as yet unseen star formation at z > 9. We suggest that the SFR density may only slowly decline out to z ~ 11, in accord with WMAP and Planck reionization results, and that GRBs may be useful in measuring the scale of this multitude of dwarf galaxies.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移におけるライマンブレイク銀河（LBG）とガンマ線バースト（GRB）に基づく星形成率（SFR）推定値の不一致を解消すること。
• 微弱なマグニチュードにまで至るUVマグニチュード関数（LF）の外挿問題を取り上げる。ここで、明るさの下端勾配α ≲ -2であるため、カットオフの選択が結果に大きな影響を与える。
• z > 8における観測されたGRB率が、LBGに基づくSFR推定値と整合するかどうかを評価し、整合しない場合、見えない微弱銀河の必要性を推定する。
• CMB再正義化制約（WMAPとPlanckによる）と整合するz ≈ 11までにゆっくりとSFR密度が低下する傾向があるという仮説の意味を検討する。
• GRBが高赤方偏移の矮星銀河の典型的なSFRスケールを特徴づけるプローブとしての可能性を評価する。これは、GRBが質量が大きく寿命の短い星に関連していることによる。

提案手法

• 低赤方偏移（z < 4）におけるGRBの赤方偏移および放射能データ（184個のGRB）を更新し、宇宙的進化におけるGRB率と星形成率（SFR）の相関関係を校正する。
• GRB率をSFR密度と赤方偏移に依存する星がGRBを生成する割合ε(z)の積としてモデル化し、ビーミング（⟨f_beam⟩）と共動体積（dV/dz）を考慮する。
• UVマグニチュード関数を用いて、GRBから推定したSFR密度と、LBGから推定したSFR密度を比較する。Schechter関数のフィットを用い、調整可能なマグニチュードカットオフ（例：M_UV = -10）を適用する。
• 同様のSFR密度計算を高赤方偏移LBGデータ（例：z ≈ 11）に適用し、M_UV ≈ -10を基準としてUV LFを微弱マグニチュードに外挿する影響を評価する。
• z > 8における観測されたGRB率を用いて、必要なSFR密度を推定し、LBGに基づく推定値と比較する。その結果、微弱銀河が含まれない限り、不足が生じることが判明する。
• 各GRBが1つの巨大星が存在する1つの銀河を示しているという事実を活用し、深紫外探索においてGRBの位置を、高赤方偏移の矮星銀河の典型的なSFRスケールを探索するための「短絡」手段として利用可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ、観測限界マグニチュードまで統合した場合でも、z > 8におけるGRBから推定したSFR密度は、LBGから推定した値に達しないのか？
• RQ2 UVマグニチュード関数をM_UV ≈ -10まで統合することで、z ≈ 8におけるGRBとLBGに基づくSFR密度推定値の一致はどの程度達成されるのか？
• RQ3 z > 8における高赤方偏移GRBの観測率は、再正義化期における微弱でL*未満の銀河の豊度について何を示唆するのか？
• RQ4 CMB再正義化データ（WMAP）が示唆するように、SFR密度がz ≈ 11までにゆっくりと低下する傾向にあると仮定した場合、それは整合的か？
• RQ5 GRBが質量の大きな星に関連していることから、高赤方偏移の矮星銀河の特徴的なSFRスケールを特定するための効果的なプローブとして機能できるか？

主な発見

• UVマグニチュード関数をM_UV ≈ -10まで統合することで、z ≈ 8までにGRBから推定したSFR密度とLBGから推定したSFR密度が一致し、以前の不一致が解消された。
• z > 8におけるGRBの観測率は、M_UV ≈ -10から-15の微弱銀河の多数が存在しない限り、LBGに基づくSFR密度と整合しない。これは、UVマグニチュード関数の下端勾配が急であることを示唆する。
• GRBデータは、LBG調査から推定されるよりも、z ≳ 9ではるかに多くの観測されていない星形成が存在することを示唆しており、この赤方偏移で微弱銀河の数が著しく多いことを示している。
• SFR密度はz ≈ 11までにゆっくりと低下する可能性が高く、WMAPによるCMB光学厚さ（τ = 0.089 ± 0.014）および再正義化赤方偏移（z_reion ≈ 10.6 ± 1.1）と整合的である。これは、再正義化に適合する星形成歴史を支持する。
• z > 8における観測されたGRB率は、z ≳ 10におけるGRBの頻度がz ≈ 8–9と同等かそれ以上であることを示唆しており、今後すぐに検出可能であり、極めて重要な意義を持つ。
• GRBは独自の利点を持つ：各GRBは1つの巨大星が存在する1つの銀河を示しており、深紫外探索においてGRBの位置を、高赤方偏移の矮星銀河の典型的なSFRスケールを探索するための的を絞ったプローブとして利用可能である。