[论文解读] The Cosmic Star Formation Rate from the Faintest Galaxies in the Unobservable Universe

Matthew D. Kistler, Hasan Yüksel+1 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 7被引用 29

一句话总结

本文調和了伽馬射線暴（GRB）與萊曼斷裂星系（LBG）的觀測數據，以估算高紅移的宇宙恆星形成率（SFR）密度，顯示將紫外光度函數積分至 M_UV ≈ -10 時，可解決 z ≈ 8 以內 LBG 與 GRB 估算之 SFR 的差異。研究進一步表明，SFR 密度在 z ≈ 11 之前緩慢下降，暗示再電離時期存在大量黯淡、尚未被觀測到的矮星系，且 GRB 可作為探測此難以察覺的恆星形成活動之工具。

ABSTRACT

Observations of high-z galaxies and gamma-ray bursts now allow for empirical studies during reionization. However, even deep surveys see only the brightest galaxies at any epoch and must extrapolate to arbitrary lower limits to estimate the total rate of star formation. We first argue that the galaxy populations seen in LBG surveys yield a GRB rate at z > 8 that is an order of magnitude lower than observed. We find that integrating the inferred UV luminosity functions down to M_UV ~ -10 brings LBG- and GRB-inferred SFR density values into agreement up to z ~ 8. GRBs, however, favor a far larger amount of as yet unseen star formation at z > 9. We suggest that the SFR density may only slowly decline out to z ~ 11, in accord with WMAP and Planck reionization results, and that GRBs may be useful in measuring the scale of this multitude of dwarf galaxies.

研究动机与目标

• 調和高紅移下，來自萊曼斷裂星系（LBG）與伽馬射線暴（GRB）之恆星形成率（SFR）估算之間的差異。
• 處理將紫外光度函數（LF）外推至黯淡星等時的關鍵問題，其中黯淡端斜率 α ≲ -2，使得截斷點的選擇具有高度影響力。
• 評估 z > 8 時觀測到的 GRB 速率是否與 LBG 估算之 SFR 一致；若否，則推斷未被觀測到的黯淡星系群體之必要性。
• 探討 SFR 密度在 z ≈ 11 之前緩慢下降的影響，此結果與 WMAP 和 Planck 所提供的宇宙微波背景（CMB）再電離約束一致。
• 評估 GRB 作為探測高紅移矮星系典型 SFR 標準之潛力，因其與大質量、短壽命恆星密切相關。

提出的方法

• 利用更新的 Swift GRB 紅移與光度數據（共 184 顆 GRB），校準低紅移（z < 4）下 GRB 速率相對於恆星形成率（SFR）的宇宙演化。
• 將 GRB 速率建模為 SFR 密度與紅移相關之恆星形成 GRB 比率（ε(z)）的乘積，並考慮束射效應（⟨f_beam⟩）與共動體積（dV/dz）。
• 比較由 GRB 推估之 SFR 密度與由紫外光度函數推導之 LBG 估算 SFR 密度，使用可調節截斷星等（如 M_UV = -10）的 Schechter 函數擬合。
• 將相同的 SFR 密度計算方法應用於高紅移 LBG 數據（如 z ≈ 11），並評估將紫外 LF 外推至黯淡星等時，以 M_UV ≈ -10 為參考的影響。
• 利用 z > 8 時觀測到的 GRB 速率推估所需之 SFR 密度，並與 LBG 估算值比較，發現除非納入黯淡星系，否則存在明顯不足。
• 利用每個 GRB 僅對應單一顆大質量恆星在單一星系中的特性，使深度搜尋可將 GRB 位置作為「捷徑」，用以識別高紅移下典型 SFR 星系。

实验结果

研究问题

• RQ1 當積分至觀測星等極限時，為何 z > 8 時 GRB 推估之 SFR 密度低於 LBG 推估值？
• RQ2 將紫外光度函數積分至 M_UV ≈ -10 時，能在多大程度上調和 z ≈ 8 時 GRB 與 LBG 推估之 SFR 密度？
• RQ3 高紅移 GRB（z > 8）的觀測速率對再電離時期黯淡、次 L* 星系的豐度有何含義？
• RQ4 SFR 密度是否與 CMB 再電離數據所暗示的緩慢下降趨勢一致，即 z ≈ 11？
• RQ5 由於 GRB 與大質量恆星相關，GRB 是否能有效作為探測高紅移矮星系典型 SFR 標準的工具？

主要发现

• 將紫外光度函數積分至 M_UV ≈ -10 時，GRB 推估與 LBG 推估之 SFR 密度在 z ≈ 8 以內達成一致，解決了先前的差異。
• 若不納入大量黯淡星系（M_UV ≈ -10 至 -15），z > 8 時觀測到的 GRB 速率與 LBG 推估之 SFR 密度不一致，暗示紫外 LF 暗端斜率極為陡峭。
• GRB 數據顯示，在 z ≳ 9 時，未被觀測到的恆星形成量顯著大於 LBG 巡天所推估之值，顯示此紅移下黯淡星系的豐度更高。
• SFR 密度很可能在 z ≈ 11 之前緩慢下降，與 WMAP 所得之 CMB 光學深度（τ = 0.089 ± 0.014）及再電離紅移（z_reion ≈ 10.6 ± 1.1）一致，支持與再電離相容的恆星形成歷史。
• z > 8 時觀測到的 GRB 速率暗示，z ≳ 10 的 GRB 可能與 z ≈ 8–9 時的數量相當，使其即將被探測到的可能性極高且具有重大意義。
• GRB 提供獨特優勢：每個 GRB 僅對應單一顆大質量恆星在單一星系中，使深度搜尋可利用 GRB 位置作為針對高紅移矮星系典型 SFR 標準的探測工具。