[论文解读] Starburst Intensity Limit of Galaxies at z~5-6

Nimish P. Hathi, Sangeeta Malhotra+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 35被引用 47

一句话总结

本研究利用哈勃极深空场的深度数据和GRAPES巡天的光谱红移，测量了z~5–6星系中的星暴强度极限。结果发现，星暴的表面亮度最大值在宇宙时空中保持恒定（z~0至z~6），表明恒星形成强度存在普遍的物理极限，仅存在微小的尺寸和尘埃含量演化。

ABSTRACT

The peak star formation intensity in starburst galaxies does not vary significantly from the local universe to redshift z~6. We arrive at this conclusion through new surface brightness measurements of 47 starburst galaxies at z~5-6, doubling the redshift range for such observations. These galaxies are spectroscopically confirmed in the Hubble Ultra Deep Field (HUDF) through the GRism ACS program for Extragalactic Science (GRAPES) project. The starburst intensity limit for galaxies at z~5-6 agree with those at z~3-4 and z~0 to within a factor of a few, after correcting for cosmological surface brightness dimming and for dust. The most natural interpretation of this constancy over cosmic time is that the same physical mechanisms limit starburst intensity at all redshifts up to z~6 (be they galactic winds, gravitational instability, or something else). We do see two trends with redshift: First, the UV spectral slope of galaxies at z~5-6 is bluer than that of z~3 galaxies, suggesting an increase in dust content over time. Second, the galaxy sizes from z~3 to z~6 scale approximately as the Hubble parameter 1/H(z). Thus, galaxies at z~6 are high redshift starbursts, much like their local analogs except for slightly bluer colors, smaller physical sizes, and correspondingly lower overall luminosities. If we now assume a constant maximum star formation intensity, the differences in observed surface brightness between z~0 and z~6 are consistent with standard expanding cosmology and strongly inconsistent with tired light model.

研究动机与目标

• 利用哈勃深度成像和光谱红移，测量高红移星系（z~5–6）中的星暴强度极限。
• 检验本地星暴星系中观测到的最大恒星形成强度是否在宇宙早期依然存在。
• 研究z~3至z~6期间星系尺寸和紫外谱 slope（β）的演化。
• 评估观测到的表面亮度演化是否与标准膨胀宇宙模型一致，或与替代的耗尽光宇宙学模型相矛盾。
• 确定尘埃消光或内在物理过程是否主导高红移星暴中观测到的颜色趋势。

提出的方法

• 从哈勃极深空场（HUDF）获取47个z~5–6红移、光谱确认的星暴星系的深度ACS F435W、F606W、F775W和F850LP成像。
• 采用Meurer等人（1997）的方法测量有效表面亮度，定义为包含总光量一半的孔径内的平均亮度。
• 应用Weedman等人（1998）的像素级方法，从每个星系中最亮像素估算峰值表面亮度。
• 利用本征紫外颜色和星族合成模型（STARBURST99）校正宇宙学表面亮度衰减和尘埃消光。
• 将表面亮度和尺寸演化与哈勃参数H⁻¹(z)进行比较，以检验比例关系。
• 使用STARBURST99模型研究紫外谱 slope（β）对金属丰度、初始质量函数（IMF）和恒星形成历史的依赖性，从而分离尘埃效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管金属丰度和星系尺寸存在差异，星暴星系中的最大恒星形成强度是否从z~0到z~6保持恒定？
• RQ2 高红移星暴星系的物理尺寸如何随宇宙时间演化，是否遵循H⁻¹(z)演化规律？
• RQ3 与z~3相比，z~5–6时观测到的更蓝紫外谱 slope（β）是由尘埃还是恒星族本身的内在属性引起？
• RQ4 表面亮度测量中的系统误差在多大程度上影响星暴强度极限的恒定性？
• RQ5 观测到的表面亮度演化是否支持标准膨胀宇宙模型，或是否与替代的耗尽光宇宙学模型相矛盾？

主要发现

• 在修正宇宙学表面亮度衰减和尘埃消光后，z~5–6的星暴强度极限与z~3–4及z~0的值在三倍以内一致。
• z~5–6星系的尺寸近似遵循H⁻¹(z)演化，表明高红移星暴星系的物理尺寸小于其本地对应体。
• z~5–6的平均紫外谱 slope（β）为β = –1.74 ± 0.35，显著比z~3时的β = –1.1 ± 0.2更蓝，表明低红移时尘埃含量更高。
• STARBURST99建模表明，β的演化最合理的解释是随时间增加的尘埃消光，而非金属丰度或IMF的变化。
• z~0至z~6期间表面亮度的恒定性强烈支持标准膨胀宇宙模型，并排除耗尽光假说。
• 尽管物理尺寸更小、光度更低，高红移星暴星系仍保持与本地类星体相同的峰值表面亮度，表明恒星形成强度存在普遍的物理上限。