[论文解读] UV Luminosity Functions from 132 z~7 and z~8 Lyman-Break Galaxies in the ultra-deep HUDF09 and wide-area ERS WFC3/IR Observations

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究基于HUDF09和ERS场中HubbleWFC3/IR与ACS的超深度观测，从132个Lyman-break星系（LBGs）样本中获得了迄今为止最深的z~7和z~8星系紫外光度函数（LFs）。研究发现，其暗端斜率极陡（α ≈ -2.0 和 -1.9），表明在这些红移下，暗星系主导了光度密度与恒星形成率密度，与再电离时期星系演化模型一致。

ABSTRACT

We identify 73 z~7 and 59 z~8 candidate galaxies in the reionization epoch, and use this large 26-29.4 AB mag sample of galaxies to derive very deep luminosity functions to

研究动机与目标

• 以前所未有的深度和动态范围测量z~7和z~8星系的紫外光度函数（LF）。
• 评估暗星系在再电离时期总星系光度密度与恒星形成率密度（SFRD）中的贡献。
• 评估SpitzerIRAC测光获得的恒星质量密度估计的可靠性，并检验高红移下初始质量函数（IMF）的恒定性。
• 利用深度低污染的LBG样本约束星系演化模型与再电离情景。

提出的方法

• 采用先进的Lyman-break技术，结合HUDF09（5σ深度~29.4 AB星等）和广域ERS（5σ深度~27.5 AB星等）巡天的超深度WFC3/IR与ACS数据。
• 严格实施光学非检测标准，以最大限度减少低红移源、活动星系核（AGN）和虚假检测的污染，在HUDF中实现约7%的低污染比例。
• 对每个场精心建模选源体积，以在z~7和z~8处实现M_UV < -18 AB星等的稳健光度函数。
• 利用光谱能量分布（SED）拟合与红移测光识别并验证z~7和z~8的LBG候选体，同时额外检查测光散射与暂现源的影响。
• 采用最大似然拟合方法测量紫外LF的暗端斜率α，同时考虑巡天深度与选源效应。
• 基于紫外LF推导恒星形成率密度，并与SpitzerIRAC测光获得的独立恒星质量密度估计进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 z~7和z~8的紫外光度函数形状如何，特别是暗端斜率α？与低红移情况相比有何差异？
• RQ2 在z~7和z~8，暗星系在总光度密度与恒星形成率密度中占多大比例？
• RQ3 从SpitzerIRAC测光推断的恒星质量密度是否与紫外LF和SFRD估计值一致？
• RQ4 基于SFRD与质量密度比较，z~7和z~8的初始质量函数（IMF）是否与低红移一致？
• RQ5 当系统性误差（包括测光散射、AGN与暂现源）被严格量化后，高红移LBG样本的可靠性如何？

主要发现

• z~7处紫外光度函数的暗端斜率为α = -2.01 ± 0.21，z~8处为α = -1.91 ± 0.32，表明暗星系分布极为陡峭。
• 这些陡峭斜率（α < -1.7）意味着在z~7和z~8，暗星系主导了总光度密度与恒星形成率密度。
• 推导出的恒星形成率密度与低红移观测趋势一致，且仅比SpitzerIRAC测光推断的恒星质量密度高约40%。
• 在充分评估系统性误差（包括测光散射、AGN与暂现源）后，HUDF样本的污染比例极低（~7%），证实了LBG样本的稳健性。
• 紫外LF推导的SFRD与Spitzer基质量密度的一致性，支持了Spitzer质量估计的准确性，并暗示高红移下IMF保持恒定。
• 结果与模型一致：即在宇宙诞生头十亿年内，暗星系在再电离星际介质中发挥了主导作用。