[论文解读] Lyman Break Galaxies at z>4 and the Evolution of the UV Luminosity Density at High Redshift

Charles C. Steidel, Kurt L. Adelberger+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 1998

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 58被引用 945

一句话总结

本研究基于地面观测，对红移 z > 4 的莱曼断裂星系进行了调查，采用测光选择与光谱红移测量，将 z ~ 4 时的紫外光度函数与 z ~ 3 时进行比较。结果表明，在 z ~ 4 至 z ~ 3 之间，紫外光度密度无显著下降，表明在应用尘埃修正后，星形成发射效率在 z > 1 范围内可能近乎恒定，挑战了星形成活动存在急剧峰值的传统观点。

ABSTRACT

We present initial results of a survey for star-forming galaxies in the redshift range 3.8 < z < 4.5. This sample consists of a photometric catalog of 244 galaxies culled from a total solid angle of 0.23 square degrees to an apparent magnitude of I_{AB}=25.0. Spectroscopic redshifts in the range 3.61 < z < 4.81 have been obtained for 48 of these galaxies; their median redshift is <z>=4.13. Selecting these galaxies in a manner entirely analogous to our large survey for Lyman break galaxies at smaller redshift (2.7 < z < 3.4) allows a relatively clean differential comparison between the populations and integrated luminosity density at these two cosmic epochs. Over the same range of UV luminosity, the spectroscopic properties of the galaxy samples at z~4 and z~3 are indistinguishable, as are the luminosity function shapes and the total integrated UV luminosity densities (rho_{UV}(z=3)/rho_{UV}(z=4) = 1.1 +/-0.3). We see no evidence at these bright magnitudes for the steep decline in the star formation density inferred from fainter photometric Lyman-break galaxies in the Hubble Deep Field (HDF). If the true luminosity density at z~4 is somewhat higher than implied by the HDF, as our ground-based sample suggests, then the emissivity of star formation as a function of redshift is essentially constant for all z>1 once internally consistent corrections for dust are made. This suggests that there is no obvious peak in star formation activity, and that the onset of substantial star formation in galaxies occurs at z > 4.5. [abridged abstract]

研究动机与目标

• 利用大样本、光谱确认的莱曼断裂星系，测量 z ~ 4 时的紫外光度密度。
• 检验从哈勃深空场（HDF）数据中推断的 z ~ 4 时紫外光度密度下降是否真实，还是由于样本方差所致。
• 使用相同的选取标准，对 z ~ 4 和 z ~ 3 时莱曼断裂星系的光度函数与光谱特性进行直接、差异性分析。
• 利用光谱约束改进 z > 4 LBG 的颜色选取标准，以最小化污染并最大化完整性。

提出的方法

• 利用宽波段滤镜（IAB、B、V、R）在 0.23 平方度范围内，对 IAB = 25.0 的目标进行测光选择，识别莱曼断裂星系候选体。
• 使用凯克 10 米望远镜上的低分辨率成像光谱仪对 48 个星系进行光谱红移确认。
• 在使用相同选取标准的前提下，直接比较 z ~ 4（⟨z⟩ = 4.13）与 z ~ 3（⟨z⟩ = 3.04）样本的光度函数与紫外光度密度。
• 对 HDF 数据进行重新分析，采用更精确的有效观测体积与谱谱能量分布估计，以评估光度函数的暗端斜率与样本方差。
• 通过引入尘埃消光（平均 1500 Å 处为 1.6 mag）与测光误差，对 LBG 颜色分布进行建模，以优化选取函数。
• 应用内部一致的尘埃修正方法，比较不同红移下的星形成发射效率，假设尘埃效应在各红移下均匀。

实验结果

研究问题

• RQ1 正如 HDF 测光红移研究所示，z ~ 4 时的紫外光度密度是否显著低于 z ~ 3？
• RQ2 HDF 中 z ~ 4 莱曼断裂星系的表观缺失在多大程度上是由于样本方差，而非本质演化所致？
• RQ3 z ~ 4 LBG 的光谱特性（如 Lyα 的吸收/发射）与光度函数，与 z ~ 3 时相比如何？
• RQ4 尘埃消光对观测到的紫外光度密度有何影响，这又如何影响对星形成历史的推断？
• RQ5 z ~ 4 时的光度函数是否比 z ~ 3 时具有更陡的暗端斜率，还是差异源于观测偏差？

主要发现

• z ~ 4 时的紫外光度密度（⟨z⟩ = 4.13）与 z ~ 3 时（⟨z⟩ = 3.04）一致，其比值 ρUV(z=3)/ρUV(z=4) = 1.1 ± 0.3，表明无显著下降。
• z ~ 4 与 z ~ 3 时 LBG 的光谱特性无法区分，包括约 50% 的星系呈现 Lyα 吸收，且具有相似的静止系紫外颜色。
• z ~ 3 光度函数的暗端斜率较陡（α = −1.60 ± 0.13），比以往估计更陡，表明光度密度的大部分可能位于 HDF 检测限以下。
• HDF 中的样本方差足够大，可解释 z ~ 4 LBG 的表观缺失，使观测差异在统计上不显著。
• 在应用一致的尘埃修正（1500 Å 处平均消光 ~1.6 mag）后，单位共动体积的星形成发射效率在 z > 1 范围内几乎平坦，表明星形成活动无明显峰值。
• z ~ 4 与 z ~ 3 时光度函数的相似性表明，星形成演化与明亮 AGN 空间密度演化存在根本性差异。