[论文解读] The sudden appearance of dust in the early Universe

Lars Mattsson|arXiv (Cornell University)|May 18, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 15

一句话总结

本文提出，当金属丰度达到临界值时，高红移星系会因星际介质中高效的尘埃凝聚而非恒星生产而迅速从无尘状态过渡到有尘状态。该模型通过极端初始质量函数（top-heavy IMF）解释了在正常非星暴星系（A1689-zD1，z=7.5）中突然出现尘埃的现象，将高尘埃质量与低恒星尘埃产量相协调，并与本地超新星尘埃生产一致。

ABSTRACT

Observations suggest that high-redshift galaxies are either very dusty or essentially dust free. The evolution from one regime to the other must also be very fast, since evolved and dusty galaxies show up at redshifts corresponding to a Universe which is only about 500 Myr old. In the present paper models which predicts the existence of an apparent dichotomy between dusty and dust-free galaxies at high redshift are considered. Galaxies become dusty as soon as they reach an evolved state and the transition is very rapid. A special case suggests that while stellar dust production is overall relatively insignificant -- contrary to what has been argued recently -- it can at the same time be consistent with efficient dust production in supernovae in the local Universe. Special attention will be given to the recent discovery of a dusty normal galaxy (A1689-zD1) at a very high redshift z = 7.5 +/- 0.2.

研究动机与目标

• 解释在如此早期宇宙时期本应缺乏尘埃的正常高红移星系（A1689-zD1，z=7.5）为何突然出现显著尘埃，这一现象与预期相悖。
• 调查仅靠恒星尘埃生产是否足以解释A1689-zD1中观测到的尘埃质量，尤其考虑到其相对适中的重子质量与非极端的恒星形成活动。
• 评估分子云中星际尘埃凝聚在尘埃生产中的主导作用，尤其与恒星来源进行比较。
• 调和A1689-zD1中高尘埃/恒星质量比与本地星系及超新星遗迹中观测到的低总体恒星尘埃产量之间的矛盾。
• 确定是否需要极端初始质量函数（IMF）来解释低质量、早期星系中观测到的高金属与尘埃产量。

提出的方法

• 使用闭箱化学演化框架建模星系演化，引入随时间变化的气体消耗 timescale τ⋆，以追踪宇宙时空中金属与尘埃的生成。
• 利用依赖于金属丰度和星际介质中尘埃凝聚效率的有效尘埃产量 y_d，计算尘埃/恒星质量比。
• 将理论尘埃质量演化与A1689-zD1的观测约束进行比较，包括其红移（z=7.5±0.2）、恒星质量及尘埃质量上限。
• 通过将本地尘埃产量与尘埃/气体质量比关联，评估超新星驱动尘埃生产的角色，结果与本地超新星尘埃生产观测一致。
• 通过比较所需金属产量与不同星系质量下金属丰度和尘埃/恒星质量比的观测趋势，评估极端初始质量函数的影响。
• 利用 M_gas/M_tot ≈ 0.5 的过渡阶段定义尘埃化的开始，将过渡建模为快速过程（在百万年量级），从而解释有尘与无尘星系之间的二元性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在低重子质量与缺乏极端恒星形成的情况下，z=7.5的正常星系A1689-zD1仍表现出显著的尘埃含量？
• RQ2 仅靠恒星尘埃生产能否解释A1689-zD1中观测到的尘埃质量，还是需要星际介质中分子云的尘埃凝聚？
• RQ3 为解释低质量、高红移星系（如A1689-zD1）中观测到的金属与尘埃产量，所需的初始质量函数（IMF）是什么？
• RQ4 如何在尘埃演化物理解释中，说明高红移星系从无尘到有尘状态的快速转变？
• RQ5 为何本地与高红移星暴星系尽管总质量不同，却拥有相似的尘埃质量？其背后的物理机制是什么？

主要发现

• A1689-zD1中的尘埃质量无法仅由恒星尘埃生产解释，必须依赖额外机制，如高效的星际介质尘埃凝聚。
• 该星系的尘埃/恒星质量比与模型一致：一旦达到临界金属丰度，星际介质中的尘埃凝聚效率显著提高，导致从无尘到有尘状态的快速转变。
• 为产生A1689-zD1中观测到的金属产量，必须存在极端初始质量函数，因为其有效金属产量每单位恒星质量高于典型本地星系。
• 从无尘到有尘状态的转变发生在数百万年内，解释了观测中高红移星系在有尘与无尘之间的二元性。
• 尽管恒星尘埃产量较低，该模型仍与本地超新星中高效的尘埃生产一致，因为尘埃产量随尘埃/气体质量比增加而上升。
• 本地与高红移星暴星系中均存在‘普遍尘埃质量’的现象，可通过低质量系统中快速尘埃凝聚与极端初始质量函数的结合来解释。