[论文解读] The Evolution of Luminous Matter in the Universe

Piero Madau|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 1997

Photocathodes and Microchannel Plates被引用 3

一句话总结

本文提出了一种光谱测光模型，通过利用静止系紫外和近红外连续谱推断星系中的恒星形成速率和恒星质量，追踪发光物质的演化。结果表明，约60%的现今恒星是在近期形成（z < 1.5），与分层宇宙学一致，且该模型可解释至暗淡星等的全部河外背景光，其中尘埃吸收是早期星光预算中最大的不确定性因素。

ABSTRACT

I review a technique for interpreting faint galaxy data which traces the evolution with cosmic time of the galaxy luminosity density, as determined from several deep spectroscopic samples and the HDF. The method relies on the rest frame UV and near-IR continua of galaxies as indicators, for a given IMF and dust content, of their instantaneous SFR and total stellar mass, and offers the prospect of addressing in a coherent framework an important set of subjects: cosmic star formation history, dust in primeval galaxies, shape of the IMF, stellar mass-to-light ratios of present-day galaxies, extragalactic background light, Type II supernovae and heavy element enrichment history of the universe. The global spectrophotometric properties of field galaxies are well fit by a simple stellar evolution model, defined by a time-dependent SFR per unit comoving volume, a universal IMF which is relatively rich in massive stars, and a modest amount of dust reddening. The model is able to account for the entire background light recorded in the galaxy counts down to the very faint magnitude levels probed by the HDF, and produces visible mass-to-light ratios at the present epoch which are consistent with the values observed in nearby galaxies of various morphological types. The bulk (&gt;60%) of the stars present today formed relatively recently (z&lt;1.5), consistently with the expectations from a broad class of hierarchical clustering cosmologies, and in good agreement with the low level of metal enrichment observed at high redshifts in the damped Lyman-alpha systems. Throughout this review I emphasize how the poorly constrained amount of starlight that was absorbed by dust and reradiated in the far-IR at early epochs represents one of the biggest uncertainties in our understanding of the evolution of luminous matter in the universe.

研究动机与目标

• 解释深空巡天和哈勃深空场（HDF）中暗淡星系的数据，以重建发光物质的宇宙历史。
• 解决星形成历史、初始质量函数（IMF）、星系中尘埃含量及恒星质量-光度比的不确定性。
• 通过一致的恒星形成与尘埃吸收模型，涵盖全部河外背景光（EBL）。
• 评估尘埃在吸收早期星光并再辐射至远红外中的作用，这是发光物质演化中最大的不确定性来源。

提出的方法

• 使用静止系紫外和近红外谱谱能量分布（SEDs）作为瞬时恒星形成速率（SFR）和总恒星质量的代理指标。
• 采用具有随时间变化的SFR的简单星族（SSP）模型，按单位共动体积计算。
• 采用富含大质量恒星的普遍初始质量函数（IMF）和适中的尘埃消光律，以拟合观测到的星系SED。
• 利用深空光谱样本和哈勃深空场（HDF）数据校准模型，以约束SFR和恒星质量密度的演化。
• 通过拟合观测到的星系计数和背景光，验证模型与总河外背景光的一致性。
• 通过估算被吸收并再辐射至远红外的星光比例，纳入尘埃再处理过程，突出其不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于暗淡星系的静止系紫外和近红外特性，其宇宙恒星形成历史如何？
• RQ2 已知星系及其演化恒星种群能解释多少河外背景光？
• RQ3 尘埃对早期星光的吸收及在远红外波段的再辐射，在多大程度上影响早期宇宙中发光物质预算的推断？
• RQ4 初始质量函数（IMF）在宇宙时空中是否一致？其是否偏好早期恒星形成中的大质量恒星？
• RQ5 模型预测的恒星质量-光度比与本地星系的观测结果匹配程度如何？

主要发现

• 目前宇宙中约60%的恒星在红移z < 1.5时形成，表明存在显著的近期恒星形成时期。
• 该模型可解释哈勃深空场中暗淡星等下的全部河外背景光。
• 模型预测的现今恒星质量-光度比与邻近星系在不同形态类型下的观测结果一致。
• 推断出的星形成历史与分层聚类宇宙学模型及高红移吸收线系中观测到的低金属丰度水平总体一致。
• 早期星光被尘埃吸收并再辐射至远红外，仍是重建完整发光物质预算中最大的不确定性因素。
• 该模型在同时拟合SED和积分背景光方面的成功，支持使用静止系紫外和近红外连续谱作为SFR与恒星质量的稳健指标。