[論文レビュー] ALMA imaging of SDP.81 - I. A pixelated reconstruction of the far-infrared continuum emission

Matus Rybak, J. P. McKean+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ALMAの高分解能サブコンtinuumデータと、新しいベイジアンピクセル化可視性フィッティング手法を用いて、赤方偏移 z = 3.042 の重力レンズ効果を受ける星形成銀河SDP.81のレンズ効果を受けていない遠赤外線放射を再構築した。1.9 kpcの直径を持つ縦長のディスクが明らかになった。星形成領域が複数存在し、そのうちの1つは星形成率密度が190 ± 20 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²に達しており、これはサブ・エディングトン星形成と整合的であり、レンズ効果を受ける系において強いサイズバイアスがないことを示唆している。

ABSTRACT

We present a sub-50 pc-scale analysis of the gravitational lens system SDP.81 at redshift 3.042 using Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA) science verification data. We model both the mass distribution of the gravitational lensing galaxy and the pixelated surface brightness distribution of the background source using a novel Bayesian technique that fits the data directly in visibility space. We find the 1 and 1.3 mm dust emission to be magnified by a factor of u_tot = 17.6+/-0.4, giving an intrinsic total star-formation rate of 315+/-60 M_sol/yr and a dust mass of 6.4+/-1.5*10^8 M_sol. The reconstructed dust emission is found to be non-uniform, but composed of multiple regions that are heated by both diffuse and strongly clumped star-formation. The highest surface brightness region is a ~1.9*0.7 kpc disk-like structure, whose small extent is consistent with a potential size-bias in gravitationally lensed starbursts. Although surrounded by extended star formation, with a density of 20-30+/-10 M_sol/yr/kpc^2, the disk contains three compact regions with densities that peak between 120-190+/-20 M_sol/yr/kpc^2. Such star-formation rate densities are below what is expected for Eddington-limited star-formation by a radiation pressure supported starburst. There is also a tentative variation in the spectral slope of the different star-forming regions, which is likely due to a change in the dust temperature and/or opacity across the source.

研究の動機と目的

• 重力レンズ効果を受ける星形成銀河SDP.81（z = 3.042）における遠赤外線ダスト放射の50 pc未満のスケール構造を解明すること。
• ビームスミアリングや微分的マグニフィケーションの制限を克服するため、可視性空間で直接源をモデリングすること。
• 源全体にわたる空間的に分解された星形成率密度をマップし、放射圧支持星形成のエディングトン限界に達しているかを検証すること。
• 異なる星形成領域におけるダストスペクトル傾きの変動を調査し、温度や光学厚さの物理的差異を推定すること。
• レンズ効果を受ける系がマグニフィケーション効果によってサイズバイアスを受けるかどうかを、源の固有サイズを測定することで評価すること。

提案手法

• バンド6およびバンド7で、1 mmおよび1.3 mm（236 GHzおよび290 GHz）のALMAの科学的検証データを、高い信号対雑音比で用いる。
• 可視性データから直接源を再構築する、ベイジアンピクセル化可視性フィッティングレンズモデリング手法を適用し、画像平面でのデコンボリューションを回避する。
• 前方に位置するレンズ効果を及ぼす銀河の質量分布と、背景源のレンズ効果を受けていない表面輝度分布を同時にモデリングする。
• マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）アプローチを用いたピクセル化された源再構築により、不確実性と後験分布を推定する。
• 再構築された源を用いて、全マグニフィケーション（μ_total = 17.6 ± 0.4）を補正し、固有の星形成率、ダスト質量、表面輝度を導出する。
• 230〜290 GHzの周波数範囲で、異なるクラスター間におけるスペクトル傾きの変動を分析し、局所的なダスト温度や光学厚さの違いを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力レンズ効果を補正した後、SDP.81の星形成領域の固有サイズと形状は何か？
• RQ2 源全体にわたる空間的に分解された星形成率密度は何か？また、放射圧支持星形成のエディングトン限界を超えるか？
• RQ3 異なるクラスター間でダストスペクトル傾きに変動があるか？これはダスト温度や光学厚さの差異を示唆するか？
• RQ4 主な放射領域の観測上のコンパクトさは、重力レンズ効果を受ける星形成銀河におけるサイズバイアスを反映しているか？
• RQ5 ピクセル化された源再構築を用いた可視性空間モデリングは、従来の画像化手法よりも、高赤方偏移星形成銀河をより正確かつバイアスのない形で捉えることができるか？

主な発見

• レンズ効果を受けていない源の直径は約1.9 kpcであり、複数の星形成領域を有するディスク様構造と整合的である。
• ダスト放射の全マグニフィケーションは μ_total = 17.6 ± 0.4 であり、これにより固有の全星形成率は 315 ± 60 M⊙ yr⁻¹、ダスト質量は 6.4 ± 1.5 × 10⁸ M⊙ となった。
• 星形成率密度は源全体で約20から190 ± 20 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²の範囲で変動し、ピークはコンパクトなクラスターに集中している。これはエディングトン限界（約1000 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²）を下回っている。
• 中心の支配的クラスターでは、230 GHzと290 GHzの間でフラックス比が 0.51 ± 0.07 であったが、北部および南部のクラスターでは比が低く（0.41 ± 0.03 および 0.45 ± 0.05）、スペクトル傾きが急で、ダスト温度や光学厚さの違いを示唆している。
• スペクトル指数αは、全領域で約2.8から、クラスター間で約3.9〜4.3にまで変動しており、多成分星形成領域を記述するにはグローバルなダストモデルでは不十分であることを示している。
• 100 masスケールで2つのアークに分解されているが、30 masスケールでは大部分の放射が解像されず（基準基線長 ~5 Mλ）、源が固有に小さく、レンズ効果を受ける系におけるサイズバイアスと整合的であることが確認された。