高红移星系演化紫外光度函数及其对宇宙再电离贡献的物理模型

[摘要删减] 我们提出了一个高红移星系紫外（UV）光度函数（LF）演化的物理模型，以自洽的方式考虑了其化学演化及相关尘埃消光的演化。该模型对 z>~2 处的 UV 和 Lyman-alpha 光度函数给出了良好的拟合。z=2 到 z=6 之间两个光度函数的微弱演化被解释为晕质量函数的负演化、恒星形成效率随红移的增加以及尘埃消光共同作用的结果。研究发现 UV 光度函数暗端的斜率随红移增加而变陡，这意味着低光度星系在越来越高红移处对 UV 背景的贡献日益占主导地位。高红移处观测到的 UV 光度范围意味着能够容纳活跃恒星形成的最小晕质量 M_crit <~ 10^9.8 M_odot，这与流体动力学模拟的约束一致。通过对 Lyman-alpha 光度函数的拟合，加上关于消光的光度依赖性数据，以及 z=~3 的 Lyman 断裂星系和 Lyman-alpha 发射体样本中非电离 UV 与 Lyman 连续谱通量密度的测量比值，我们推导出了电离光子逃逸分数与恒星形成率之间的简单关系，表明质量较小的星系具有更大的逃逸分数。UV 光度函数中已代表的星系（M_UV <~ -18）可以使宇宙在高达 z=~6 时保持完全电离，这与指向 z~6 以上电离度迅速下降的（不确定的）数据一致。另一方面，从 CMB 实验推断出的电子散射光学深度 tau_es 表明，直到 z=~9-10 电离度仍接近于 1。若 M_crit =~ 10^8.5 M_odot，则可与 CMB 数据达成一致，这意味着 UV 光度函数延伸至 M_UV =~ -13，尽管相应的 tau_es 仍处于基于 CMB 估计值的低侧。