[论文解读] Implications of the cosmic infrared background for light production and the star formation history in the Universe

R. Gispert, G. Lagache+1 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2000

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 2被引用 18

一句话总结

本文通过分析宇宙红外背景（CIB），约束宇宙中的恒星形成历史与光辐射产生，利用观测到的CIB谱，推断尘埃再辐射星光的亚毫米波段辐射在红移上的演化。研究发现，亚毫米波段背景辐射的产生速率需从z=0到z=1增加超过10倍，随后在更高红移趋于平稳，表明恒星形成活动在z≈1–2达到峰值，红外星系主导背景辐射，暗示星系尘埃性质在宇宙时空中发生显著演化。

ABSTRACT

The Cosmic Background due to the integrated radiation from galaxies over the whole life of the Universe is reviewed. We find that this background is well constrained by measurements. The total power in the background is in the range 60-93 nW/m2/sr. The data show the existence of a minimum separating the direct stellar radiation from the infrared part due to radiation reemitted by dust. This reemitted dust radiation is about 1-2.6 time the background power in the optical/near-IR thus much larger than the same ratio measured locally (30%). The far-infrared and submillimeter background is likely to be dominated by redshifted infrared galaxies. The long wavelength spectrum of the background being significantly flatter than the spectrum of these galaxies it strongly constrains the far-infrared radiation production rate history which must increase by a factor larger than 10 between the present time and a redshift 1 and then stays rather constant at higher redshift, contrary to the ultraviolet radiation production rate which decreases rapidly. Several models of galaxy evolution have been proposed to explain the submillimeter background. In this paper we do not propose a new model; we systematically explore the allowed range of evolution histories allowed by the data. If infrared galaxies are mostly powered by starbursts as indicated by recent observations, this infrared production history reflects the history of starbursts in the Universe.

研究动机与目标

• 通过宇宙红外背景（CIB）的约束，确定星系中远红外辐射产生速率的红移演化。
• 探索与观测到的CIB流量和谱形一致的红外星系演化历史的可能范围。
• 在假设尘埃再辐射星光主导CIB的前提下，从推断出的红外辐射产生速率推断恒星形成历史。
• 将推断出的辐射产生历史与其它关于恒星形成和星系演化的观测约束进行比较。
• 通过系统分析可能的光谱能量分布（SEDs）和观测不确定性，避免依赖模型假设。

提出的方法

• 本文以紫外至亚毫米波段的观测CIB谱为主要约束，整合深空星系源密度计数和弥散背景上限。
• 采用一种形式化方法，将CIB谱反演为每单位红移的共动辐射产生率φ(z)，为简化起见假设单频发射模型。
• 利用关系式φν₀(z) ∝ (νIν / 10⁻⁸ Wm⁻²sr⁻¹) × (ν/ν₀)⁻⁵/²，推导参考频率ν₀ = 310 THz处的辐射产生率。
• 背景计算假设欧几里得几何，并在不同波段对CIB谱应用幂律近似。
• 通过将观测到的CIB谱斜率与演化星系的预期谱形拟合，推导辐射产生率的红移演化。
• 系统探索与观测不确定性一致的SED范围和红移演化历史，避免依赖单一SED模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 为重现观测到的宇宙红外背景，远红外辐射产生速率的红移演化特征是什么？
• RQ2 推断出的辐射产生历史与本地宇宙中观测到的恒星形成率密度相比如何？
• RQ3 红外星系的光度函数需在多大程度上随红移演化，才能解释CIB谱？
• RQ4 CIB谱对尘埃再辐射星光与活动星系核对背景的贡献有何约束？
• RQ5 观测到的CIB谱形及其在约3–10 μm处的最小值，对主导源的物理特性和演化提供了何种信息？

主要发现

• 宇宙红外背景总功率被约束在60–93 nWm⁻²sr⁻¹之间，远红外波段相对于光学波段存在显著过剩，表明尘埃再辐射作用强烈。
• 远红外与光学背景能量之比为1–2.6，显著高于本地宇宙的约30%，暗示星系性质在宇宙时空中发生改变。
• 远红外与亚毫米波段背景很可能由高红移、被尘埃包裹的红外星系主导，特别是处于星暴阶段的星系。
• 辐射产生率必须在z=0到z=1之间增加超过10倍，随后在更高红移趋于恒定，与紫外辐射产生率下降趋势相反。
• 观测到的CIB谱比单个红外星系的谱更平坦，表明主导源在光度和谱形上必须经历显著演化。
• 在z≈1–4红移范围内，推断出的辐射产生率与假设的发射频率（ν₀）无关，因为谱斜率与无演化情况匹配，证实了该红移区间的稳健性。