[论文解读] Unveiling Dust-enshrouded Star Formation in the Early Universe: a Sub-mm Survey of the Hubble Deep Field

D. H. Hughes, S. Serjeant+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 1998

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 48被引用 750

一句话总结

该论文利用詹姆斯克拉克马克斯韦尔望远镜上的SCUBA对哈勃深空场进行了迄今最深的亚毫米波段调查，检测到五个在红移z ≈ 3处、通量大于2 mJy的稳健850 μm源。这些源揭示了一类被尘埃包裹的星暴星系，其贡献了30–50%的未解析亚毫米波背景，表明在z > 2时的恒星形成密度至少是仅基于紫外数据推断结果的五倍以上。

ABSTRACT

The advent of sensitive sub-mm array cameras now allows a proper census of dust-enshrouded massive star-formation in very distant galaxies, previously hidden activity to which even the faintest optical images are insensitive. We present the deepest sub-mm survey of the sky to date, taken with the SCUBA camera on the James Clerk Maxwell Telescope and centred on the Hubble Deep Field. The high source density found in this image implies that the survey is confusion-limited below a flux density of 2 mJy. However, within the central 80 arcsec radius independent analyses yield 5 reproducible sources with S(850um) > 2 mJy which simulations indicate can be ascribed to individual galaxies. We give positions and flux densities for these, and furthermore show using multi-frequency photometric data that the brightest sources in our map lie at redshifts z~3. These results lead to integral source counts which are completely inconsistent with a no-evolution model, and imply that massive star-formation activity continues at redshifts > 2. The combined brightness of the 5 most secure sources in our map is sufficient to account for 30 - 50% of the previously unresolved sub-mm background, and we estimate statistically that the entire background is resolved at about the 0.3 mJy level. Finally we discuss possible optical identifications and redshift estimates for the brightest sources. One source appears to be associated with an extreme starburst galaxy at z~1, whilst the remaining four appear to lie in the redshift range 2 < z < 4. This implies a star-formation density over this redshift range that is at least five times higher than that inferred from the ultraviolet output of HDF galaxies.

研究动机与目标

• 检测并表征早期宇宙中因尘埃遮蔽而被光学巡天遗漏的尘埃包裹星形成星系。
• 测量高红移、尘埃包裹星暴星系对河外亚毫米波背景的贡献。
• 利用亚毫米波数据独立测定z > 2时的恒星形成率密度，避免仅依赖紫外数据可能因尘埃导致的偏差。
• 通过多波段测光分析评估检测到的亚毫米波源的红移分布和物理特性。
• 评估在低于2 mJy通量密度的混淆限制区域中，该调查的完整性和可靠性。

提出的方法

• 利用詹姆斯克拉克马克斯韦尔望远镜上的SCUBA仪器，对哈勃深空场进行了超深度850 μm波段调查。
• 在中心80角秒半径区域内独立进行源提取与验证，识别出5个通量密度高于2 mJy的稳健源。
• 利用多波段测光数据（光学、近红外、亚毫米波）估算检测到源的红移和SED。
• 通过模拟评估源的混淆与可靠性，确认这5个源可被独立分辨。
• 计算这5个最亮源对亚毫米波背景的贡献，并估算背景的总解析分数。
• 基于总通量和宇宙学体积，假设q₀ = 0.5，估算z ≈ 3时尘埃包裹的恒星形成率密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 亚毫米波巡天揭示的尘埃包裹恒星形成活动在红移z > 2时的水平如何？
• RQ2 亚毫米波检测到的源在多大程度上解释了850 μm波段的未解析河外亚毫米波背景？
• RQ3 检测到的亚毫米波源的红移和光度与高红移星系演化模型的预期相比如何？
• RQ4 由于尘埃遮蔽，紫外波段巡天遗漏的早期宇宙中总恒星形成率密度的分数是多少？
• RQ5 检测到的源的性质能否与已知的本地超亮红外星系（ULIRGs）相一致，这对它们的演化状态有何启示？

主要发现

• 在哈勃深空场中心80角秒区域内，检测到五个稳健的亚毫米波源，其位置和通量密度已报告。
• 最亮的源位于红移z ≈ 3，其中四个源很可能处于2 ≤ z < 4的红移范围内。
• 五个最可靠的源的总通量占此前未解析的850 μm亚毫米波背景的30–50%。
• 该调查在约0.3 mJy通量密度水平上解析了约80%的亚毫米波背景，表明背景主要已被解析。
• 在z ≈ 3时，尘埃包裹的恒星形成率密度估计为0.21 h M☉ yr⁻¹ Mpc⁻³（假设q₀ = 0.5），至少是仅基于紫外数据推断结果的五倍以上。
• 若其中一个源位于z > 4，则恒星形成率密度在z ≈ 5之前保持近似恒定，表明早期宇宙中存在持续的恒星形成活动。