[论文解读] UV Luminosity Functions at redshifts z~4 to z~10: 10000 Galaxies from HST Legacy Fields

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth+12 more|ThinkIR: The University of Louisville's Institutional Repository (University of Louisville)|Mar 17, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 24

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜遗产场中的10,000个星系候选体，对z~4至z~10红移区间内进行了迄今为止最全面的紫外光度函数（LF）测量。结果表明，星系光度函数的弥散端斜率（α）显著演化，从z~4时的α = -1.64 ± 0.04 陡变为z~7时的α = -2.06 ± 0.13，与晕质量函数演化一致；而M*演化微弱，φ*主导了观测到的光度函数演化。

ABSTRACT

The remarkable HST datasets from the CANDELS, HUDF09, HUDF12, ERS, and BoRG/HIPPIES programs have allowed us to map out the evolution of the UV LF from z~10 to z~4. We have identified 5859, 3001, 857, 481, 217, and 6 galaxy candidates at z~4, z~5, z~6, z~7, z~8, and z~10, respectively from the ~1000 arcmin**2 area probed. The selection of z~4-8 galaxies over the five CANDELS fields allows us to assess the cosmic variance; the largest variations are apparent at z>=7. Our new LF determinations at z~4 and z~5 span a 6-mag baseline (-22.5 to -16 AB mag). These determinations agree well with previous estimates, but the larger samples and volumes probed here result in a more reliable sampling of >L* galaxies and allow us to reassess the form of the UV LFs. Our new LF results strengthen our earlier findings to 3.4 sigma significance for a steeper faint-end slope to the UV LF at z>4, with alpha evolving from alpha=-1.64+/-0.04 at z~4 to alpha=-2.06+/-0.13 at z~7 (and alpha = -2.02+/-0.23 at z~8), consistent with that expected from the evolution of the halo mass function. With our improved constraints at the bright end, we find less evolution in the characteristic luminosity M* over the redshift range z~4 to z~7; the observed evolution in the LF is now largely represented by changes in phi*. No evidence for a non-Schechter-like form to the z~4-8 LFs is found. A simple conditional LF model based on halo growth and evolution in the M/L ratio of halos ((1+z)**-1.5) provides a good representation of the observed evolution.

研究动机与目标

• 在前所未有的统计精度下，测量z~4至z~10红移区间内星系的rest-frame紫外光度函数（LF）。
• 评估高红移星系数密度中的宇宙方差及场与场之间的涨落。
• 检验紫外LF是否通过Schechter函数参数（M*, φ*, α）演化，或需要非Schechter形式。
• 基于晕生长和M/L演化，利用条件光度函数（CLF）模型模拟观测到的LF演化。
• 利用改进的LF约束，评估星系演化对宇宙再电离的影响。

提出的方法

• 利用CANDELS、HUDF09、HUDF12、ERS以及BoRG/HIPPIES等深空广域哈勃空间望远镜遗产数据，覆盖约1000平方角分。
• 基于光学、近红外和中红外数据，开发了新的颜色选择标准，以最小化不完全性和红移间隙。
• 在z~4、5、6、7、8和10红移分别识别出5859、3001、857、481、217和6个星系候选体。
• 通过Schechter函数拟合紫外LF，以测量各红移区间的M*、φ*和α。
• 通过比较五个独立的CANDELS场的星系数密度，量化宇宙方差。
• 构建一个条件光度函数（CLF）模型，假设晕质量增长且M/L ∝ (1+z)^{-1.5}，以重现观测到的LF演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 从z~4至z~10，紫外光度函数在Schechter参数方面的演化特征如何？
• RQ2 场与场之间的差异（宇宙方差）在多大程度上影响高红移星系的观测数密度？
• RQ3 观测到的紫外LF演化是否与基于晕质量函数和M/L演化的简单CLF模型一致？
• RQ4 弥散端斜率α是否随红移显著演化？该演化是否与晕质量函数预测一致？
• RQ5 在z~10时，高光度星系对M*演化约束起到何种作用？

主要发现

• 紫外LF的弥散端斜率α从z~4时的α = -1.64 ± 0.04 显著变陡至z~7时的α = -2.06 ± 0.13，z~8时为α = -2.02 ± 0.23，表明暗淡星系数量显著演化。
• 从z~7至z~4，特征绝对星等M*演化微弱，观测到的LF演化主要由归一化因子φ*的变化驱动。
• 观测到的紫外LF演化可被Schechter函数良好描述，在z~4至8区间内无非Schechter形式的证据。
• 基于晕质量增长和M/L ∝ (1+z)^{-1.5}的简单CLF模型，成功重现了z~4至z~10区间内所有三个Schechter参数的观测演化。
• 体积密度φ*演化关系为φ* ∝ 10^{-0.27(z-6)}，最佳拟合关系为φ* = (0.47_{-0.10}^{+0.11}) × 10^{-0.27(z-6)} × 10^{-3} Mpc^{-3}。
• 在z~10时，检测到高光度星系（M_UV ≲ -21 mag），表明M*不能发生显著演化，从而对早期星系形成模型构成约束。