[论文解读] Constraints on the First Galaxies: z~10 Galaxy Candidates from HST WFC3/IR

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 2

一句话总结

本研究利用哈勃望远镜WFC3/IR仪器在HUDF09巡天中获取的两年期数据，搜寻红移z ~ 10的星系，发现一个候选体，并揭示在z ~ 10时的恒星形成率密度仅为z ~ 8时的约10%，表明大爆炸后最初5亿年中星系快速形成。

ABSTRACT

Searches for very-high-redshift galaxies over the past decade have yielded a large sample of more than 6,000 galaxies existing just 900-2,000 million years (Myr) after the Big Bang (redshifts 6 > z > 3; ref. 1). The Hubble Ultra Deep Field (HUDF09) data have yielded the first reliable detections of z ~ 8 galaxies that, together with reports of a gamma-ray burst at z ~ 8.2 (refs 10, 11), constitute the earliest objects reliably reported to date. Observations of z ~ 7-8 galaxies suggest substantial star formation at z > 9-10. Here we use the full two-year HUDF09 data to conduct an ultra-deep search for z ~ 10 galaxies in the heart of the reionization epoch, only 500 Myr after the Big Bang. Not only do we find one possible z ~ 10 galaxy candidate, but we show that, regardless of source detections, the star formation rate density is much smaller (~10%) at this time than it is just ~200 Myr later at z ~ 8. This demonstrates how rapid galaxy build-up was at z ~ 10, as galaxies increased in both luminosity density and volume density from z ~ 8 to z ~ 10. The 100-200 Myr before z ~ 10 is clearly a crucial phase in the assembly of the earliest galaxies.

研究动机与目标

• 利用深空哈勃空间望远镜观测，识别并约束再电离时期z ~ 10星系候选体的性质。
• 测量z ~ 10时的恒星形成率密度，并与z ~ 8时的值进行比较，以理解早期星系形成的速率。
• 研究大爆炸后关键时期（z ~ 10至z ~ 8之间）星系形成的演化阶段。
• 评估z ~ 10时观测到的恒星形成是否与早期星系形成和再电离的模型一致。

提出的方法

• 利用哈勃超深空场2009年（HUDF09）完整两年期数据，通过WFC3/IR仪器开展超深近红外巡天。
• 执行深度测光分析，基于其红移后的谱能分布（SED），特别是利用莱曼断点技术识别高红移星系候选体。
• 通过堆叠未检测到的源并对比已知的z ~ 8测量值，量化z ~ 10时的恒星形成率密度。
• 使用统计建模估算z ~ 10时恒星形成率密度的上限，假设无检测到任何源。
• 将z ~ 10时推导出的恒星形成率密度与z ~ 8时的值进行比较，以推断星系演化的速率。
• 应用光度和体积密度估计，评估从z ~ 10到z ~ 8星系群体的增长情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 z ~ 10时的恒星形成率密度是多少？与z ~ 8时相比如何？
• RQ2 在HUDF09超深近红外数据中是否存在可检测的z ~ 10星系候选体？
• RQ3 从z ~ 10到z ~ 8，星系的光度和体积密度增长有多快？
• RQ4 非检测结果对z ~ 10时早期恒星形成历史施加了何种约束？
• RQ5 观测到的演化如何揭示再电离时期星系形成的演化时间线？

主要发现

• 在HUDF09数据中识别出一个z ~ 10星系候选体，但其确认仍不确定。
• z ~ 10时的恒星形成率密度估计仅为z ~ 8时的约10%，表明该时期恒星形成活动显著下降。
• 尽管恒星形成率密度较低，z ~ 10时的星系群体在光度和体积密度方面与z ~ 8相比均表现出快速增长。
• z ~ 10之前1亿至2亿年的时间间隔被确定为最早星系形成的关键阶段。
• 数据表明，大爆炸后最初5亿年中星系构建极为迅速，从z ~ 10到z ~ 8期间，星系的数量和亮度均有显著增加。
• 缺乏强检测结果意味着早期星系在z ~ 10时可能较暗或恒星形成效率较低。