[论文解读] Probing feedback in high-$z$ galaxies using extended UV luminosity functions

Saumyadip Samui, R. Srianand+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究利用半解析星系形成模型来解释高红移紫外光度函数（1.5 ≤ z ≤ 8），表明即使在 z > 6 时，超新星反馈也是重现光度函数暗端斜率所必需的。模型揭示了一类被动、缓慢演化的星系群体，其贡献于 z < 2.5 时观测到的光度函数上翘；而类星体反馈仅在 z < 4 时对明亮端起作用，未来深空巡天将能区分反馈模式并约束星系演化参数。

ABSTRACT

We fit the recently updated UV luminosity functions (LF) of high-$z$ ($1.5\le z\le8.0$) galaxies using our semi-analytical models of galaxy formation that take into account various feedback processes. In order to reproduce the overall redshift evolution we require the efficiency of converting gas into stars to decrease with decreasing redshift. Even for $z\ge 6$, our models require supernovae (SNe) feedback to reproduce the observed LF suggesting the prevalence of galactic winds that could have polluted the inter-galactic medium even at very high redshifts. The observed LF in the low luminosity end for $z&lt;2.5$ shows an upward turn. In our models we reproduce this trend using passively evolving population of galaxies. Measuring stellar mass, age and metallicity of these galaxies using multi-band spectral energy distribution (SED) fitting will place strong constraints on the existence of such galaxies. While Active galactic Nuclei (AGN) feedback is essential to reproduce the LF at high luminosity end for $z&lt;4$, it may not needed in the case of $z\ge 6$. We show that the expected turn around in the LF due to cooling criteria occurs at luminosity much lower than what has been probed with present day observations. With future deep observations, that can measure the LF more accurately, we will be able to distinguish between different modes of SNe feedback and get insights into the physical processes that drive the galaxy evolution.

研究动机与目标

• 理解超新星、辐射及类星体反馈在塑造高红移星系（1.5 ≤ z ≤ 8）紫外光度函数（LF）中的作用。
• 检验结合了星形成效率演化与多种反馈机制的半解析模型，是否能重现不同红移下观测到的光度函数。
• 通过将模型预测与观测光度函数形态对比，特别是 z < 2.5 时低光度端的上翘，约束高红移被动、缓慢演化星系的存在与性质。
• 评估未来深空观测中对反馈特征（如动量驱动与能量驱动风）的可探测性。

提出的方法

• 采用半解析星系形成模型，从暗物质晕丰度函数出发，整合星形成与反馈过程。
• 通过归一化于圆速度（v_c*）的质量外流速率引入超新星反馈，其参数可调，包括风效率与持续时间（κ）。
• 包含来自宇宙紫外背景的辐射反馈，影响光度函数的暗端斜率。
• 类星体反馈作为大质量晕中的抑制机制实现，其归一化参数可调。
• 将模型预测与深空巡天及引力透镜研究中观测到的紫外光度函数进行比较，覆盖 M_UV 从 -12.5 到 -26 的范围，红移区间为 1.5 ≤ z ≤ 8。
• 通过多波段 SED 拟合估算低光度星系的恒星质量、年龄与金属丰度，以检验被动星系群体假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z > 6 时，超新星反馈是否在塑造高红移星系紫外光度函数中起显著作用？
• RQ2 在 z < 2.5 时观测到的紫外光度函数上翘是否能通过半解析模型中的被动演化星系群体来解释？
• RQ3 在 z < 4 时，是否需要类星体反馈来重现紫外光度函数的明亮端斜率？其重要性在 z ≥ 6 时是否减弱？
• RQ4 由冷却条件决定的光度函数转折点预期处于何种光度量级？该量级是否在当前观测能力范围内？
• RQ5 未来深空巡天如何能区分高红移星系中不同反馈模式（如动量驱动与能量驱动风）？

主要发现

• 观测到的紫外光度函数随红移的演化要求星形成效率（f*/η）随红移降低而减小，与气体转化效率下降一致。
• 即使在 z > 6 时，超新星反馈对重现光度函数暗端斜率也至关重要；仅靠辐射反馈无法实现。
• 模型预测在 z > 6 时，光度函数低光度端存在一个转折点，对应 M_UV ≈ -13，远低于当前观测极限。
• 在 z < 2.5 时观测到的光度函数上翘（M_UV > -15）可通过一组被动、缓慢演化的星系群体重现，其晕质量在 10^9 至 10^11 M☉ 之间。
• 类星体反馈对重现 z < 4 时的明亮端光度函数是必要的，但在 z ≥ 6 时并非必需，此时仅靠超新星反馈即可满足。
• 未来深空观测将能区分动量驱动与能量驱动风反馈，约束质量外流速率归一化参数（η_w），并通过 SED 拟合检验高红移被动星系的存在。