[论文解读] An Increasing Stellar Baryon Fraction in Bright Galaxies at High Redshift

Steven L. Finkelstein, Mimi Song+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究探究了从 z=4 到 z=7 期间，明亮星系的特征紫外光度为何保持不变，尽管宇宙恒星形成率在下降。利用深空哈勃与斯皮兹曼望远镜的测光数据，研究发现恒星重子分数从 z=4 时的 5.1% 上升至 z=7 时的 11.7%，表明高红移时反馈效率降低，这挑战了简单的星系增长模型。

ABSTRACT

Recent observations have shown that the characteristic luminosity of the rest-frame ultraviolet (UV) luminosity function does not significantly evolve at 4 < z < 7 and is approximately M*_UV ~ -21. We investigate this apparent non-evolution by examining a sample of 178 bright, M_UV < -21 galaxies at z=4 to 7, analyzing their stellar populations and host halo masses. Including deep Spitzer/IRAC imaging to constrain the rest-frame optical light, we find that M*_UV galaxies at z=4-7 have similar stellar masses of log(M/Msol)=9.6-9.9 and are thus relatively massive for these high redshifts. However, bright galaxies at z=4-7 are less massive and have younger inferred ages than similarly bright galaxies at z=2-3, even though the two populations have similar star formation rates and levels of dust attenuation. We match the abundances of these bright z=4-7 galaxies to halo mass functions from the Bolshoi Lambda-CDM simulation to estimate the halo masses. We find that the typical halo masses in ~M*_UV galaxies decrease from log(M_h/Msol)=11.9 at z=4 to log(M_h/Msol)=11.4 at z=7. Thus, although we are studying galaxies at a similar mass across multiple redshifts, these galaxies live in lower mass halos at higher redshift. The stellar baryon fraction in units of the cosmic mean Omega_b/Omega_m rises from 5.1% at z=4 to 11.7% at z=7; this evolution is significant at the ~3-sigma level. This rise does not agree with simple expectations of how galaxies grow, and implies that some effect, perhaps a diminishing efficiency of feedback, is allowing a higher fraction of available baryons to be converted into stars at high redshifts.

研究动机与目标

• 探究从 z=4 到 z=7 期间，明亮星系中特征紫外光度函数（M*UV）保持不变的物理成因。
• 确定在此红移范围内，恒星质量、恒星形成速率和尘埃消光是否保持恒定。
• 通过与 Bolshoi ΛCDM 模拟的丰度匹配，推断宿主晕质量，以理解结构演化。
• 测量恒星重子分数（SBF）并评估其随红移的演化，以探究反馈效率。
• 检验观测趋势是否与简单星系增长预期相矛盾，并推断早期星系形成的相关物理解释。

提出的方法

• 从哈勃 WFC3/IR 成像和深空斯皮兹曼/IRAC 数据中选取 178 个在 z=4–7 时 MUV < -21 的明亮星系，以约束其星等光谱的光学波段辐射。
• 利用星族合成模型拟合光谱能量分布（SED），以推导恒星质量、年龄、尘埃消光和恒星形成速率。
• 将观测到的星系丰度与 Bolshoi ΛCDM 晕质量函数进行丰度匹配，以推断宿主晕质量（Mh）。
• 将恒星重子分数（SBF）定义为恒星质量与晕质量之比，并归一化至宇宙重子与物质比（Ωb/Ωm）。
• 使用显著性检验（3.2σ）评估 SBF 随红移的演化。
• 将高红移星系的演化轨迹与本地 SMG（亚毫米波星系）的恒星质量进行比较，以评估其潜在后裔。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管宇宙恒星形成率密度在下降，为何特征紫外光度（M*UV）在 z=4 到 z=7 之间基本保持不变？
• RQ2 在 z=4–7 时，明亮星系的恒星质量、恒星形成速率和尘埃特性是否相似？
• RQ3 M*UV 星系的宿主晕质量如何随红移增加而演化？
• RQ4 恒星重子分数（SBF）是否随红移增加？这对早期星系中反馈效率意味着什么？
• RQ5 观测趋势是否与星系增长的简单预期相矛盾？何种物理机制可能解释这些现象？

主要发现

• 在 z=4–7 时，MUV < -21 的星系恒星质量在 log(M*/M☉) = 9.6–9.9 之间基本保持恒定。
• 尽管恒星形成速率和尘埃消光相似，z=4–7 的星系比其 z=2–3 对应星系更年轻。
• 宿主晕质量从 z=4 时的 log(Mh/M☉) = 11.93 下降到 z=7 时的 log(Mh/M☉) = 11.35，表明高红移时星系位于质量更小的晕中。
• 恒星重子分数（SBF）从 z=4 时的 5.1% ± 0.6% 上升至 z=7 时的 11.7% ± 4.3%，该趋势在 3.2σ 水平上显著。
• 这一上升的 SBF 与简单星系增长模型相矛盾，暗示高红移时反馈效率降低，使更多重子物质能够形成恒星。
• 若 z=6–7 星系维持约 50 M☉ yr⁻¹ 的恒星形成速率，其可演化为 z=2 时的高质量 SMG，与并合驱动的 SMG 形成情景一致。