[论文解读] The Star Formation Rate of the Universe at z~6 from the Hubble Ultra Deep Field

Andrew J. Bunker, E. R. Stanway+2 more|Mar 10, 2004

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 6

一句话总结

本文利用哈勃极深空场测量 z≈6 处的恒星形成率，通过 (i′−z′)AB>1.3 的颜色超量识别 i′-dropout 星系，发现 z′_AB=28.5 深度下有 54 个候选体。结果表明，z≈6 处的共动恒星形成率约为 z≈3 处的六分之一，挑战了认为明亮 z≈6 星系使宇宙再电离的模型。

ABSTRACT

We determine the abundance of i'-band drop-outs in the recently-released HST/ACS Hubble Ultra Deep Field (UDF). Since the majority of these sources are likely to be z~6 galaxies whose flux decrement between the F775W i'-band and F850LP z'-band arises from Lyman-alpha absorption, the number of detected candidates provides a valuable upper limit to the unextincted star formation rate at this redshift. We demonstrate that the increased depth of UDF enables us to reach an 8-sigma limiting magnitude of z'(AB)=28.5 (equivalent to 1.5/h{70}^2 M_sun/yr at z=6, or 0.1 L*(UV) for the z~3 U-drop population), permitting us to address earlier ambiguities arising from the unobserved form of the luminosity function. We identify 54 galaxies (and only one star) at z'(AB)<28.5 with (i'-z')>1.3 over the deepest 11arcmin^2 portion of the UDF field. The characteristic luminosity (L*) is consistent with values observed at z~3. The faint end slope (alpha) is less well constrained, but is consistent with only modest evolution. The main change appears to be in the number density (Phi*). Specifically, and regardless of possible contamination from cool stars and lower redshift sources, the UDF data support our previous result that the star formation rate at z~6 was at least x6 LESS than at z~3 (Stanway, Bunker & McMahon 2003). This declining comoving star formation rate (0.005 h{70}M_sun/yr/Mpc^3 at z~6 for a Salpeter IMF) poses an interesting challenge for models which suggest that L>0.1L* star forming galaxies at z~6 reionized the universe. The short-fall in ionizing photons might be alleviated by galaxies fainter than our limit, or a radically different IMF. Alternatively, the bulk of reionization might have occurred at z>>6.

研究动机与目标

• 利用哈勃空间望远镜深度成像确定 z≈6 处的恒星形成率密度。
• 解决高红移处紫外光度函数暗端斜率的不确定性。
• 检验 z≈6 处明亮星系形成星系是否可能使宇宙再电离。
• 评估 i′-dropout 选择中来自冷星和低红移混淆体的污染程度。

提出的方法

• 利用哈勃极深空场 ACS 数据中 (i′−z′)AB>1.3 的颜色选择识别 i′-dropout 候选体。
• 应用深度为 8σ 的极限星等 z′_AB=28.5，对应于 z=6.1 时 1.5 h⁻²₇₀ M⊙ yr⁻¹ 的光度。
• 基于低红移光度函数的模拟估算来自冷星和低红移星系的污染程度。
• 采用光度函数模型，其中 L* 与 z≈3 一致，α（暗端斜率）作为自由参数。
• 通过在 z≈6 处对 L>0.1 L*_{UV} 的积分计算共动恒星形成率密度。
• 将结果与先前的 GOODS 数据及需要高电离光子输出的再电离模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于紫外光度较高的星系（L>0.1 L*_{UV}），z≈6 处的共动恒星形成率密度是多少？
• RQ2 在相同的光度极限下，z≈6 处 i′-dropout 星系的丰度与 z≈3 处相比如何？
• RQ3 i′-dropout 样本中有多少程度受到冷星或低红移星系的污染？
• RQ4 若这些星系是主要电离源，则观测到的 z≈6 恒星形成率是否足以解释宇宙再电离？
• RQ5 z≈6 处紫外光度函数的形状如何，特别是暗端斜率 α 是怎样的？

主要发现

• 哈勃极深空场达到 8σ 限制星等 z′_AB=28.5，使探测比以往调查更暗的星系成为可能。
• 在 UDF 最深的 11 平方角秒区域内，识别出 54 个 (i′−z′)AB>1.3 的 i′-dropout 候选体，代表 z≈6 星系丰度的上限。
• z≈6 处 L>0.1 L*_{UV} 星系的共动恒星形成率密度为 0.005 h₇₀ M⊙ yr⁻¹ Mpc⁻³，约为 z≈3 处的六分之一。
• z≈6 处紫外光度函数的暗端斜率 α 与适度演化一致，而主要变化体现在归一化因子（Φ*）而非形状。
• 在 z′_AB>26 时，来自冷银河系恒星的污染可忽略不计，可能是因为 UDF 位于银道面之外。
• 若明亮 z≈6 星系是主要电离源，则观测到的 z≈6 恒星形成率不足以解释宇宙再电离，表明可能需要更暗的星系、顶重的初始质量函数，或再电离发生在 z>10。