[論文レビュー] Very low-luminosity galaxies in the early universe have observed sizes similar to single star cluster complexes

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 11被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、ハッブル・フロンティア・フィールズから得られた307個の明るさが弱く、赤方偏移z = 6–8の銀河のサイズと明るさを分析し、最先端のレンズ効果モデルを用いて、最も小さく、最も明るさが弱い源（約11 pcまで）が、30ドラダスのような単一の星団複合体と同等のサイズと明るさを持つことが明らかになった。この結果から、これらのコンパクトなシステムは原始球状星団を示している可能性があり、極端な形成モデルを強く制限し、初期宇宙における球状星団の形成に近い検出限界に達している可能性が示唆される。

ABSTRACT

We compare the sizes and luminosities of 307 faint z=6-8 sources revealed by the Hubble Frontier Fields (HFF) program with sources in the nearby universe. Making use of the latest lensing models and data from the first four HFF clusters with an extensive suite of public lens models, we measure both the sizes and luminosities for 153 z~6, 101 z~7, and 53 z~8 galaxies. The sizes range over more than a decade from ~500 to <50 pc. Extremely small sizes are inferred for many of our lowest luminosity sources, reaching individual sizes as small as 10-30 pc (the smallest is 11(-6)(+28) pc). The uncertainty in these measures ranges from 80 pc for the largest sources to typically about 20 pc for the smallest. Such sizes are smaller than extrapolations of the size-luminosity relation, and expectations for the completeness of our faint samples, suggesting a likely break in the size-luminosity relation at ~-17 mag with size proportional to L**(0.50(-0.11)(+0.10)). The sizes and luminosities of the lowest-luminosity sources are similar to those of single star cluster complexes like 30 Doradus in the lower-redshift universe and -- in a few cases -- super star clusters. Remarkably, our identification of these compact, faint star-forming sources in the z~6-8 universe also allow us to set upper limits on the proto-globular cluster LF at z~6. Comparisons with recent models allow us to rule out (with some caveats) some scenarios for proto-globular cluster formation and set useful upper limits on other less extreme ones. Our results suggest we may be very close to discovering a bona-fide population of forming globular clusters at high redshift.

研究の動機と目的

• 深さのあるハッブル画像と重力レンズ効果を用いて、z = 6–8における非常に明るさが弱い銀河の物理的サイズと明るさを測定すること。
• 以前の研究が示唆したように、M_UV ≈ -17 magでサイズ-明るさ関係に途切れが生じるかどうかを検証すること。
• 高赤方偏移銀河のサイズと明るさを、星団複合体やスーパースターチャンクスなどの近傍星体系と比較すること。
• 観測されたサイズと明るさの分布を用いて、z ≈ 6における原始球状星団の明るさ関数の上限を制約すること。
• 観測制約と照らし合わせて、現在の原始球状星団形成理論的モデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 最初の4つのハッブル・フロンティア・フィールズクランスターゲッタの、公に利用可能な最も洗練された重力レンズ効果モデルを用い、153個のz ≈ 6、101個のz ≈ 7、53個のz ≈ 8の銀河のレンズを解除し、物理的サイズを測定した。
• 最大で約20の増幅率を持つパラメトリックレンズモデルを適用し、観測されたサイズと明るさを補正した。この手法は、メネゲッティら（2017）などの独立した研究でも検証済みである。
• レンズ効果を受ける画像内の解像された構造に対してSersicプロファイルフィッティングを用いてサイズを測定し、最小の源では約20 pc、最大の源では約80 pcの不確実性を有する。
• 高赤方偏移銀河のサイズ-明るさ分布を、近傍星体系（例：30ドラダス、スーパースターチャンクス）と比較し、形態的類縁体を同定した。
• ボーウェンス ら（2017b）のUV明るさ関数（UV luminosity function）を観測されたサイズ制約と組み合わせ、z ≈ 6における原始球状星団明るさ関数の上限を導出した。
• ボイルン＝コリン（2017a）らの原始球状星団形成理論的モデルを、観測されたコンパクト源の上限と照らし合わせて、予測されるコンパクト源の数と照合することで検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 6–8における最も小さく、最も明るさが弱い銀河は、近傍宇宙における既知の星団複合体と同等の物理的サイズを持つのか？
• RQ2 M_UV ≈ -17 magでサイズ-明るさ関係に途切れが生じるのか？これは、明るさが弱い銀河の構造的性質に根本的な変化を示唆するのか？
• RQ3 最もコンパクトで明るさが弱いz ≈ 6–8の源が、サイズと明るさの観点から原始球状星団と特定できるのか？
• RQ4 これらの源の観測されたサイズと明るさは、原始球状星団形成理論的モデルにどのような制約を課すのか？
• RQ5 現在のハッブル・フロンティア・フィールズ観測は、初期宇宙における本物の形成中球状星団を検出するのに十分か？

主な発見

• サンプル内で最小の源は、物理的サイズが11+28/-6 pcにまで小さく、最小のシステムでは通常の不確実性が約20 pcである。
• サイズ-明るさ関係はM_UV ≈ -17 magで途切れ、r ∝ L^{0.50_{-0.11}^{+0.10}}の傾きを示しており、明るさが弱い領域で構造的性質に根本的な違いがあることを示唆している。
• 最も明るさが弱い源のサイズと明るさは、30ドラダスや近傍宇宙のスーパースターチャンクスのような単一の星団複合体と一致している。
• コンパクト源の数に対する観測上の上限は、ξ = 10の極端な原始球状星団形成モデルを排除するが、そのような星団が宿主銀河の光の中で検出不能である限り、例外となる。
• ボイルン＝コリン（2017a）のξ = 1モデルは観測結果と整合しており、M_UV ≈ -15.5 magの選別条件下で、最小の源の約50％が原始球状星団である可能性があると示唆している。
• 本研究は、現在の観測が、本物の形成中球状星団を初期宇宙で検出するにあたり、非常に近い段階にあると結論づけている。もしすでに同定されていなければ、その可能性が極めて高い。