[论文解读] Star Formation at z~6: i-dropouts in the ACS GTO fields

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth+34 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2003

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用 67

一句话总结

本研究利用深空哈勃ACS和地面红外成像，在z~6处识别出23个i-断层星系，得出其rest-frame紫外光度密度为$7.2 \pm 2.5 \times 10^{25}\ \text{ergs s}^{-1}\text{Hz}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$，星形成率密度为$0.0090 \pm 0.0031\ \text{M}_\odot\ \text{yr}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$，表明从z~3到z~6紫外光度减少了39%，与中等程度的演化一致，足以支持宇宙再电离过程。

ABSTRACT

Using an i-z dropout criterion, we determine the space density of z~6 galaxies from two deep ACS GTO fields with deep optical-IR imaging. A total of 23 objects are found over 46 arcmin^2, or ~0.5 objects/arcmin^2 down to z~27.3 (6 sigma; all AB mag) (including one probable z~6 AGN). Combining deep ISAAC data for our RDCS1252-2927 field (J~25.7 and Ks~25.0 (5 sigma)) and NICMOS data for the HDF North (JH~27.3 (5 sigma)), we verify that these dropouts have flat spectral slopes. i-dropouts in our sample range in luminosity from ~1.5 L* (z~25.6) to ~0.3 L* (z~27.3) with the exception of one very bright candidate at z~24.2. The half-light radii vary from 0.09" to 0.29", or 0.5 kpc to 1.7 kpc. We derive the z~6 rest-frame UV luminosity density using three different procedures, each utilizing simulations based on a CDF South V dropout sample. First, we compare our findings with a no-evolution projection of this V-dropout sample. We find 23+/-25% more i-dropouts than we predict. Adopting previous results to z~5, this works out to a 20+/-29% drop in the luminosity density from z~3 to z~6. Second, we use these same V-dropout simulations to derive a selection function for our i-dropout sample and compute the UV-luminosity density (7.2+/-2.5 x 10^25 ergs/s/Hz/Mpc^3 down to z~27). We find a 39+/-21% drop over the same redshift range. This is our preferred value and suggests a star formation rate of 0.0090+/-0.0031 M_sol/yr/Mpc^3 to z~27, or ~0.036+/- 0.012 M_sol/yr/Mpc^3 extrapolating the LF to the faint limit. Third, we follow a very similar procedure, but assume no incompleteness, finding a luminosity density which is ~2-3X lower. This final estimate constitutes a lower limit. All three estimates are within the canonical range of luminosity densities necessary for reionization of the universe at this epoch. (abridged)

研究动机与目标

• 利用深空哈勃ACS GTO场中的i-断层选星方法，测量z~6高红移星系的空间密度和性质。
• 评估从z~3到z~6的rest-frame紫外光度密度和星形成率密度的演化情况。
• 利用多波段成像和模拟方法，评估这些星系对宇宙再电离的贡献。
• 使用经验方法和模拟方法，校正断层选星中的完整性和污染效应。

提出的方法

• 在两个深空ACS GTO场中应用i-z断层标准，识别z~6候选星系，总覆盖面积为46平方角分。
• 结合深空ACS i-和z波段成像，以及地面ISAAC的J和Ks波段和NICMOS的J110和H160波段数据，确认红移和谱指数。
• 基于CDF南区z~5 V606-断层星系样本的模拟，估算选星函数并校正不完整性。
• 应用Steidel等人（1999）的V_eff(m)形式化的广义版本，推导紫外光度函数，并积分至z_AB ~ 27.0。
• 通过三种方法估算光度密度：(1) 与无演化投影直接比较，(2) 应用光度演化校正，(3) 假设无不完整性以获得下限。
• 利用标准关系（如Madau等人1998年研究）将光度密度转换为星形成率密度，对暗端行为采用Schechter函数外推。

实验结果

研究问题

• RQ1 在深空哈勃ACS GTO场中，z~6处i-断层星系的空间密度是多少？
• RQ2 z~6处的rest-frame紫外光度密度与z~3相比如何？这对宇宙再电离意味着什么？
• RQ3 选星效应和表面亮度分布在多大程度上影响z~6断层星系样本的完整性和可靠性？
• RQ4 z~6处的星形成率密度是多少？与低红移的先前估计相比如何？

主要发现

• z~6处i-断层星系的空间密度测量值为每平方角分0.5 ± 0.1个星体，对应z_AB ~ 27.3（6σ），经完整度校正后为0.5 ± 0.2 平方角分⁻²。
• z~6处的rest-frame紫外光度密度估计为$7.2 \pm 2.5 \times 10^{25}\ \text{ergs s}^{-1}\text{Hz}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$，相比z~3到z~6减少了39% ± 21%。
• z~6处的星形成率密度为$0.0090 \pm 0.0031\ \text{M}_\odot\ \text{yr}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$，Schechter函数外推至暗端可得$ sim 0.036 \pm 0.012\ \text{M}_\odot\ \text{yr}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$。
• 光度密度估计值在标准假设下（如H I团块因子和紫外辐射逃逸率）与再电离的预期范围一致。
• 样本中包含一个可能的z~6活动星系核（AGN），i-断层星系表现出平坦的谱指数，与z~6处星形成星系一致。
• 第三种方法（假设无不完整性）给出下限值为$2.7 \pm 0.6 \times 10^{25}\ \text{ergs s}^{-1}\text{Hz}^{-1}\text{Mpc}^{-3}$，显著低于Steidel等人（1999）在类似光度下的值。