[论文解读] Luminosity Functions of Lyman-Break Galaxies at z~4 and 5 in the Subaru Deep Field

Makiko Yoshida, Kazuhiro Shimasaku+4 more|ArXiv.org|Aug 24, 2006

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 28

一句话总结

本研究利用斯巴鲁深空场的深度光学成像，测量了 z~4 和 z~5 处莱曼断裂星系（LBGs）的光度函数，采用多色选择标准分别识别出 3,808、539 和 240 个 LBGs。研究发现，从 z~6 到 z~4，特征星等 M* 显著演化，宇宙恒星形成率密度从 z~4 到 z~5 的下降幅度不超过五倍，且特定星形成率（specific SFR）在 z~4 以内呈现 (1+z)^3 的标度关系，表明恒星形成效率随红移增加而提高。

ABSTRACT

We investigate the luminosity functions of Lyman-break galaxies (LBG) at z~4 and 5 based on the optical imaging data obtained in the Subaru Deep Field Project. Three samples of LBGs in a contiguous 875 arcmin^2 area are constructed. One consists of 3,808 LBGs at z~4 down to i'=26.85 selected with the B-R vs R-i' diagram. The other two consist of 539 and 240 LBGs at z~5 down to z'=26.05 selected with two kinds of two-color diagrams: V-i' vs i'-z' and R-i' vs i'-z'. The adopted selection criteria are proved to be fairly reliable by spectroscopic observation. We derive the luminosity functions of the LBGs at rest-frame ultraviolet wavelengths down to M_{UV}=-19.2 at z~4 and M_{UV}=-20.3 at z~5. We find clear evolution of the luminosity function over the redshift range of 04.

研究动机与目标

• 以高灵敏度测量 z~4 和 z~5 处莱曼断裂星系（LBGs）的静止系紫外光度函数。
• 通过探测至 z~4 时 M_UV = -19.2 和 z~5 时 M_UV = -20.3 的暗弱星等，改进高红移宇宙恒星形成率（SFR）密度的约束。
• 研究光度函数参数（M*、φ*、α）的演化及其对星系形成与恒星形成效率的启示。
• 通过计算特定星形成率随红移的变化，评估气体冷却与恒星形成效率在塑造宇宙恒星形成率历史中的作用。

提出的方法

• 在斯巴鲁深空场的 875 平方弧分连续区域内，利用颜色-颜色图构建三组 LBG 样本：z~4 处的 BRi′-LBGs，以及 z~5 处的 Vi′z′-LBGs 和 Ri′z′-LBGs。
• 应用蒙特卡洛模拟估算完整度与污染比例，并通过光谱红移验证选择标准。
• 采用 C-方法推导光度函数，积分至 z~4 时 M_UV = -19.2 和 z~5 时 M_UV = -20.3。
• 从紫外光度密度计算宇宙 SFR 密度，并利用标准冷暗物质模型推导特定星形成率（单位恒星质量的 SFR）。
• 结合文献数据，分析光度函数与 SFR 密度的红移演化特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 莱曼断裂星系的光度函数从 z~4 到 z~5 如何演化，特别是 M*、φ* 和 α 的变化？
• RQ2 z~4 和 z~5 处的宇宙恒星形成率密度是多少？其从 z~3 到 z~5 的演化趋势如何？
• RQ3 特定星形成率是否随红移呈现 (1+z)^3 的标度关系？这对我们理解高红移恒星形成主导物理机制有何启示？
• RQ4 在宇宙时空中，亮星系与暗星系对总 SFR 密度的贡献如何变化？

主要发现

• 从 z~6 到 z~4，光度函数的特征星等 M* 明显变亮约 1 个星等；从 z~4 到 z~3 基本保持稳定；从 z~3 到 z~0 则变暗约 3 个星等。
• 在红移范围 0.5 ≤ z ≤ 6 内，光度函数的归一化值 φ* 和暗端斜率 α 几乎保持不变，表明星系数量密度与暗端分布稳定。
• 从 z~3 到 z~4，宇宙恒星形成率密度未出现显著下降；从 z~4 到 z~5 的任何下降幅度均被限制在不超过五倍。
• 在 M*_{z=3} - 0.5 以上的星系中，SFR 密度在 z~3–4 达到尖锐峰值，而较暗星系的 SFR 密度演化更平缓，且峰值出现在更早时期，表明存在与光度相关的演化特征。
• 特定星形成率在 z~4 以内呈现 (1+z)^3 的标度关系，表明此时恒星形成效率与暗物质晕的冷却速率成正比。
• 在 z > 4 时，(1+z)^3 标度关系失效，表明主导恒星形成效率的物理机制发生转变。