[论文解读] Low-luminosity galaxies in the early universe have observed sizes similar to star cluster complexes

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 159被引用 34

一句话总结

本研究利用哈勃前沿场数据，分析红移 z ≈ 6–8 的强引力透镜效应下的低光度星系，将其大小与光度与邻近的星团复合体进行比较。研究发现，最小、最暗的高红移星系其大小（10–50 pc）和紫外星等与像大麦哲伦星云30号星团这样的大质量星团复合体相当，表明它们可能孕育原球状星团；这些结果对形成模型构成约束，排除了高形成后质量损失（ξ = 10）的模型，并表明我们可能已接近探测到早期宇宙中真正的球状星团形成过程。

ABSTRACT

We compare the sizes and luminosities of faint $z=6$-8 galaxies magnified by the Hubble Frontier Fields (HFF) clusters with star-forming regions, as well as more evolved objects, in the nearby universe. Our high-redshift comparison sample includes 333 z=6-8 galaxies, for which size measurements were made as part of a companion study where lensing magnifications were estimated from various public models. Accurate size measurements for these sources are complicated by the lens model uncertainties, but other results and arguments suggest that faint galaxies are small, as discussed in a companion study. The measured sizes for sources in our comparison sample range from <50 pc to ~500 pc. For many of the lowest luminosity sources, extremely small sizes are inferred, reaching individual sizes as small as 10-30 pc, with several sources in the 10-15 pc range with our conservative magnification limits. The sizes and luminosities 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. The identification of these compact, faint star-forming sources in the z~6-8 universe also allows us to set upper limits on the proto-globular cluster LF at z~6. By comparisons of the counts and sizes with recent models, we rule out (with some caveats) proto-globular cluster formation scenarios favoring substantial (xi=10) post-formation mass loss and set useful upper limits on others. Our size results suggest we may be very close to discovering a bona-fide population of forming globular clusters at high redshift.

研究动机与目标

• 将哈勃前沿场中 z ≈ 6–8 的暗淡、强引力透镜效应星系的大小与光度，与邻近的恒星系统（如星团复合体和原球状星团）进行比较。
• 评估最小、最暗的高红移星系是否可能为原球状星团或星团复合体。
• 利用观测到的源数密度与大小分布，约束 z ≈ 6 时原球状星团的光度函数与形成模型。
• 评估在强引力透镜模型不确定性下，大小测量的稳健性及其对识别正在形成球状星团的影响。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜深度成像与公开的参数化强引力透镜模型，从哈勃前沿场中 333 个 z ≈ 6–8 星系的测量结果中提取大小与光度数据。
• 应用 v3/v4 强引力透镜模型中的中值线性放大率与剪切校正（µ 和 S），将观测到的角大小转换为物理大小。
• 将观测到的大小与星等与邻近星团复合体（如 30 Doradus）及演化系统进行比较，以识别类比天体。
• 利用暗淡源的观测数密度与大小分布，推导 z ≈ 6 时原球状星团光度函数的上限。
• 通过与 E-MOSAICS、Boylan-Kolchin（2017）以及 Pozzetti 等（2019）的理论模型进行对比，约束形成情景。
• 通过施加保守的放大率限制（线性 µ ≤ 30，总 µ ≤ 50）来考虑强引力透镜模型不确定性的影响，承认其对最暗源大小估计的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 最小、最暗的 z ≈ 6–8 星系是否具有与邻近星团复合体（如 30 Doradus）相当的物理大小与光度？
• RQ2 高红移星系的观测大小与光度分布能否由原球状星团形成模型解释？
• RQ3 对暗淡强引力透镜星系的观测源数与大小分布，对 z ≈ 6 时原球状星团光度函数施加了何种约束？
• RQ4 极端形成情景（如存在显著形成后质量损失，ξ = 10）是否与当前观测一致？
• RQ5 基于当前哈勃数据，我们是否已接近探测到早期宇宙中真正正在形成的球状星团？

主要发现

• 最暗的 z ≈ 6–8 星系其半光半径小至 10–30 pc，在保守放大率限制下，多个源位于 10–15 pc 范围内。
• 这些低光度星系的大小与光度与邻近星团复合体（如 30 Doradus，其半光半径约为 ∼100 pc）在统计上无法区分。
• 样本中 23 个源的中值大小 ≤40 pc，其中三个可能 ≤20 pc，处于超星团与原球状星团的大小范围内。
• 观测到的紧凑、暗淡源的数量与 E-MOSAICS 模型预测一致，该模型预测在哈勃前沿场中，−17.5 等附近约有 ∼1.5 个原球状星团，−16.5 等附近约有 ∼1 个。
• 结果排除了高形成后质量损失（ξ = 10）的原球状星团形成模型，因为此类情景将产生远多于实际观测到的可探测源。
• 数据表明我们已非常接近识别出早期宇宙中真正正在形成的球状星团，部分候选体已在 <−15 等的相同光度范围内被探测到，与模型预测的光度范围一致。