[论文解读] The UV luminosity functions of Bright z>8 Galaxies: Determination from ~0.41 deg2 of HST Observations along ~sim 300 independent sightlines

Nicha Leethochawalit, Guido Roberts-Borsani+3 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究基于超波尔格（SuperBoRG）调查中来自约300条独立视线的哈勃空间望远镜（HST）纯并行观测，覆盖0.41 deg²的天空区域，推导出红移z>8时明亮星系的rest-frame紫外光度函数（UVLF）。结果发现，UVLF的明亮端比以往的遗产场结果高出约1 dex，可能的解释包括活动星系核（AGN）的显著贡献或高红移星系中尘埃含量减少，两者均与早期星系演化的理论模型一致。

ABSTRACT

We determine the bright end of the rest-frame UV luminosity function (UVLF) at $z=8-10$ by selecting bright $z\gtrsim 8$ photometric candidates from the largest systematic compilation of HST (pure-)parallel observations to date, the Super-Brightest-of-Reionizing-Galaxies (SuperBoRG) data set. The data set includes $\sim300$ independent sightlines from WFC3 observations, totalling $800-1300$ arcmin$^2$ (depending on redshift). We identify 31 $z\gtrsim8$ candidates via colour selection and photo-$z$ analysis with observed magnitude ($24.1< H_{160} <26.6$) and $1σ$ range probability of $58-95\%$ of being true high-z galaxies. Following detailed completeness and source recovery simulations, as well as modelling of interloper contamination, we derive rest-frame UVLFs at $z=8-10$ down to $M_{UV}\simeq-23$. We find that the bright end of the galaxy luminosity function can be described both by a Schechter and by a double power-law function, with our space-based large area determination showing some tentative discrepancies with the luminosity functions derived from ground-based observations at the same redshifts. We identify two possible explanations. The first is that the UVLF includes a substantial contribution from AGNs at magnitudes $M_{UV}<-22$. The UVLF we derive at $z=8$ is consistent with no evolution of the bright end from $z=6-7$ UVLFs that include AGNs. An alternative (and non-exclusive) possibility is that the dust content of the observed galaxies decreases with redshift, thereby countering the naturally expected decrease in the UV luminosity functions because of a decreased star formation rate with increasing redshift. Both scenarios raise interesting prospects to further understand galaxy formation in extreme objects during the epoch of reionisation.

研究动机与目标

• 利用迄今最大的HST纯并行观测调查，确定z=8–10时明亮端的紫外光度函数（UVLF）。
• 评估在大范围、多视线调查中识别高红移星系候选体时的宇宙方差与污染效应。
• 评估观测到的UVLF明亮端过量是否由AGN贡献或高红移星系中尘埃消光减少所致。
• 将推导出的UVLF与现有的Schechter函数和双幂律（DPL）函数形式进行比较，并与地面和空间望远镜的巡天结果进行对比。
• 通过模拟与光谱红移分析，建立可靠的源完整性和干扰体污染的统计框架。

提出的方法

• 利用来自超波尔格（SuperBoRG）调查的约0.41 deg² HST WFC3纯并行观测数据，覆盖约800–1300 arcmin²的区域，涵盖约300条独立视线。
• 通过颜色断层选择法（如Y105断层）和信噪比筛选识别z≳8候选体，随后进行光谱红移（photo-z）分析。
• 开展源恢复与完整度模拟，以量化检测效率，特别是对明亮端（M_UV ≲ -21.5）的检测效率。
• 利用谱谱能量分布（SED）拟合与天空源密度假设，建模来自低红移星系和冷矮星的干扰体污染。
• 对观测到的UVLF分别用Schechter函数和双幂律（DPL）函数进行拟合，以评估拟合优度与函数形式的稳健性。
• 将结果与地面巡天（如COSMOS/VIDEO）和空间望远镜遗产场巡天（如legacy fields）的文献UVLF进行对比，以评估宇宙方差与一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 z=8–10时的明亮端UVLF是否显著高于以往遗产场的估计值？如果是，这是由宇宙方差还是本质天体物理效应所致？
• RQ2 AGN在M_UV < -22 mag时对观测UVLF的贡献程度如何？这是否能解释z=6–7之间UVLF无演化现象？
• RQ3 高红移星系在z≥8时尘埃含量减少，是否可解释观测到的UVLF形状与归一化值？
• RQ4 Schechter函数与双幂律（DPL）函数在拟合观测UVLF时是否具有同等有效性？这反映了星系群体的何种本质特征？
• RQ5 完整度与干扰体污染在大范围、浅深度HST并行巡天中，如何影响UVLF测量的可靠性？

主要发现

• 在z=8–10时推导出的UVLF在明亮端（M_UV ≲ -22）比以往遗产场估计值高出约1 dex，表明明亮星系的数密度存在显著过剩。
• 在包含AGN贡献的情况下，UVLF与z=6–7之间无演化一致，支持AGN主导z>8时明亮端的假设。
• UVLF也与z≥8时假设低尘埃-金属比的理论模型一致，表明尘埃消光减少可能抵消了恒星形成率预期的下降。
• Schechter函数与双幂律（DPL）函数对数据的拟合均统计上无法区分，尽管明亮端的归一化值限制了两者之间的区分能力。
• 完整度在M_UV ≈ -21.5时降至50%以下，表明UVLF仅在M_UV ≃ -23以内可靠，更暗的星等存在显著不确定性。
• 最终样本包含31个z≳8候选体，经严格SED拟合与干扰体筛选后，其为真实高红移星系的概率为58–95%。