[论文解读] The Nature of High-Redshift Galaxies

Rachel S. Somerville, Joel R. Primack+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2000

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文在冷暗物质（CDM）框架内使用半解析模型，研究了高红移莱曼断裂星系（LBGs）的性质。研究发现，'碰撞星暴'模型——即并合触发剧烈恒星形成——最能重现 z ~ 3–4 时观测到的星等函数、星系数量密度以及物理特性（如恒星形成率、大小、颜色）。而宁静模型因未能产生足够多的明亮星系和冷气体，导致表现不佳。该模型表明，高红移恒星形成效率必须显著高于本地，而星暴模型可自然解释这一点。

ABSTRACT

Using semi-analytic models of galaxy formation set within the Cold Dark Matter (CDM) merging hierarchy, we investigate several scenarios for the nature of the high-redshift ($z \ga 2$) Lyman-break galaxies (LBGs). We consider a ``collisional starburst'' model in which bursts of star formation are triggered by galaxy-galaxy mergers, and find that a significant fraction of LBGs are predicted to be starbursts. This model reproduces the observed comoving number density of bright LBGs as a function of redshift and the observed luminosity function at $z\sim 3$ and $z\sim 4$, with a reasonable amount of dust extinction. Model galaxies at $z \sim 3$ have star formation rates, half-light radii, I-K colours, and internal velocity dispersions that are in good agreement with the data. Global quantities such as the star formation rate density and cold gas and metal content of the Universe as a function of redshift also agree well. Two ``quiescent'' models without starbursts are also investigated. In one, the star formation efficiency in galaxies remains constant with redshift, while in the other, it scales inversely with disc dynamical time, and thus increases rapidly with redshift. The first quiescent model is strongly ruled out as it does not produce enough high redshift galaxies once realistic dust extinction is accounted for. The second quiescent model fits marginally, but underproduces cold gas and very bright galaxies at high redshift. A general conclusion is that star formation at high redshift must be more efficient than locally. The collisional starburst model appears to accomplish this naturally without violating other observational constraints.

研究动机与目标

• 使用理论建模确定 z > 2 时高红移莱曼断裂星系（LBGs）的物理本质。
• 检验LBGs是否更符合星暴或宁静演化情景。
• 将观测到的LBG数量密度、星等函数及物理特性与宇宙学约束相协调。
• 评估尘埃消光与恒星形成效率在塑造高红移星系演化中的作用。
• 评估观测到的恒星形成率密度演化（Madau图）是否可由不同星系形成模型解释。

提出的方法

• 在冷暗物质（CDM）并合演化框架内，采用星系形成的半解析模型。
• 通过‘碰撞星暴’模型模拟星系演化，其中并合触发短暂而强烈的恒星形成事件。
• 将模型预测与 z ~ 3 和 z ~ 4 时观测到的共动数量密度和星等函数进行比较。
• 使用与星等相关的消光校正（Wang & Heckman），对紫外星等进行校正，采用最小（0.4L*）和最大（所有星系）校正。
• 通过Madau图计算恒星形成率密度（SFRD），对包含尘埃校正的紫外星等函数进行积分。
• 测试两种宁静模型：一种为恒定恒星形成效率，另一种为效率与盘面动力时序成反比。

实验结果

研究问题

• RQ1 碰撞星暴模型能否重现 z ~ 3 和 z ~ 4 时高红移LBGs的观测共动数量密度与星等函数？
• RQ2 尘埃消光校正如何影响推断的恒星形成率密度，以及模型与观测的一致性？
• RQ3 具有恒定或红移相关恒星形成效率的宁静模型能否重现高红移星系的观测特性？
• RQ4 观测到的恒星形成率密度、冷气体含量与金属度演化对星系形成模型施加了何种约束？
• RQ5 观测到的 z ~ 2–4 间恒星形成率密度平台是否与理论模型一致，还是需要在高红移时提高恒星形成效率？

主要发现

• 碰撞星暴模型在合理尘埃消光水平下，成功重现了 z ~ 3 和 z ~ 4 时明亮LBGs的观测共动数量密度与星等函数。
• z ~ 3 时模型星系的恒星形成率、半光半径、I – K 颜色及内部速度弥散度与观测数据高度一致，表明模型与数据吻合良好。
• 模型推导出的恒星形成率密度（SFRD）在 z ~ 2 至 z ~ 4 间呈现平台状，与观测数据一致，与传统Madau图在 z ~ 2 处出现峰值的特征不同。
• 恒定恒星形成效率的宁静模型因在应用真实尘埃消光后星系数量不足，被强烈排除。
• 效率与盘面动力时序成反比的宁静模型勉强符合数据，但在高红移时仍低估冷气体与极明亮星系。
• 本研究结论认为，高红移恒星形成效率必须显著高于本地水平，而这一条件可由碰撞星暴模型自然满足。