[论文解读] Very low-luminosity galaxies in the early universe have observed sizes similar to single star cluster complexes

R. J. Bouwens, G. D. Illingworth+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 11被引用 39

一句话总结

本研究利用先进的引力透镜模型，分析了哈勃前沿场中307个红移z = 6–8的暗淡星系的大小和亮度，发现最小、最暗的源（小至~11 pc）的大小和亮度与单个星团复合体（如大麦哲伦星云中的30 Doradus）相当。结果表明，这些致密系统可能代表原球状星团，强烈限制了极端形成模型，并表明我们可能已接近早期宇宙中球状星团形成的探测阈值。

ABSTRACT

We compare the sizes and luminosities of 307 faint z=6-8 sources revealed by the Hubble Frontier Fields (HFF) program with sources in the nearby universe. Making use of the latest lensing models and data from the first four HFF clusters with an extensive suite of public lens models, we measure both the sizes and luminosities for 153 z~6, 101 z~7, and 53 z~8 galaxies. The sizes range over more than a decade from ~500 to <50 pc. Extremely small sizes are inferred for many of our lowest luminosity sources, reaching individual sizes as small as 10-30 pc (the smallest is 11(-6)(+28) pc). The uncertainty in these measures ranges from 80 pc for the largest sources to typically about 20 pc for the smallest. Such sizes are smaller than extrapolations of the size-luminosity relation, and expectations for the completeness of our faint samples, suggesting a likely break in the size-luminosity relation at ~-17 mag with size proportional to L**(0.50(-0.11)(+0.10)). The sizes and luminosities of the lowest-luminosity sources are similar to those of single star cluster complexes like 30 Doradus in the lower-redshift universe and -- in a few cases -- super star clusters. Remarkably, our identification of these compact, faint star-forming sources in the z~6-8 universe also allow us to set upper limits on the proto-globular cluster LF at z~6. Comparisons with recent models allow us to rule out (with some caveats) some scenarios for proto-globular cluster formation and set useful upper limits on other less extreme ones. Our results suggest we may be very close to discovering a bona-fide population of forming globular clusters at high redshift.

研究动机与目标

• 利用深度哈勃成像和引力透镜技术，测量红移z = 6–8时非常低亮度星系的物理大小和亮度。
• 检验先前研究提出的在M_UV ≈ -17 mag时大小-亮度关系是否发生断裂。
• 将高红移源的大小和亮度与附近恒星系统（如星团复合体和超星团）进行比较。
• 利用观测到的大小和亮度分布，约束z ≈ 6时原球状星团的亮度函数。
• 评估当前原球状星团形成理论模型在观测约束下的可行性。

提出的方法

• 利用前四个月球前沿场星系团的最精细公开引力透镜模型，对153个z ≈ 6、101个z ≈ 7和53个z ≈ 8星系进行去透镜化处理，并测量其物理大小。
• 应用参数化透镜模型，放大因子最高达~20，经独立研究（如Meneghetti et al. 2017）验证，以校正观测到的大小和亮度。
• 通过在透镜图像中对分辨结构进行Sersic轮廓拟合来测量大小，不确定度范围为：最小源约20 pc，最大源约80 pc。
• 将高红移星系的大小-亮度分布与附近恒星系统（如30 Doradus、超星团）进行比较，以识别形态学类比体。
• 结合来自Bouwens et al. 2017b的观测紫外亮度函数与大小约束，推导出z ≈ 6时原球状星团亮度函数的上限。
• 通过将理论模型（如Boylan-Kolchin 2017a）预测的致密源数量与观测上限进行比较，测试原球状星团形成理论模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 z ≈ 6–8时最微弱、最小的星系，其物理大小是否与本地宇宙中已知的星团复合体相当？
• RQ2 在M_UV ≈ -17 mag处是否存在大小-亮度关系的断裂，表明低亮度星系的结构特性发生根本性变化？
• RQ3 能否基于大小和亮度将最致密、最微弱的z ≈ 6–8源识别为原球状星团？
• RQ4 这些源的观测大小和亮度对原球状星团形成理论模型施加了何种约束？
• RQ5 当前哈勃前沿场观测是否足以探测早期宇宙中真正的正在形成的球状星团？

主要发现

• 样本中最小的源物理大小小至11+28/-6 pc，最小系统典型不确定度约为~20 pc。
• 大小-亮度关系在M_UV ≈ -17 mag处发生断裂，斜率为r ∝ L^{0.50_{-0.11}^{+0.10}}，表明低亮度时存在根本的结构差异。
• 最低亮度源的大小和亮度与本地宇宙中单个星团复合体（如30 Doradus）和超星团相当。
• 对致密源数量的观测上限排除了ξ = 10的极端原球状星团形成模型，除非这些星团在宿主星系光中不可见。
• 结果与Boylan-Kolchin (2017a)的ξ = 1模型一致，表明在M_UV ≈ -15.5 mag选源中，约50%的最小源可能是原球状星团。
• 本研究结论认为，当前观测很可能已非常接近探测到早期宇宙中真正正在形成的球状星团，若尚未被识别，也极可能已处于探测极限。