[論文レビュー] Are Ultra-faint Galaxies at z=6-8 Responsible for Cosmic Reionization ? Combined Constraints from the Hubble Frontier Fields Clusters and Parallels

Hakim Atek, Johan Richard+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

深宇宙のハッブル・フロンティア・フィールズの画像と高度な重力レンズモデルを用いて、z≈6–8の銀河のrest-frame紫外線輝度関数（UV LF）を、これまでにない深さで測定した。M_UV = −15.25まで非常に急な明るさの下端勾配（α = −2.04）が得られ、超微弱銀河が宇宙再電離に顕著に寄与している可能性を示唆している。また、z≈7でイオン化状態を維持するには、電離放射線の脱出率f_esc >10%が十分であることが示された。

ABSTRACT

We use deep Hubble Space Telescope imaging of the Frontier Fields to accurately measure the galaxy rest-frame ultraviolet luminosity function (UV LF) in the redshift range $z \\sim 6-8$. We combine observations in three lensing clusters A2744, MACS0416, MACS0717 and their associated parallels fields to select high-redshift dropout candidates. We use the latest lensing models to estimate the flux magnification and the effective survey volume in combination with completeness simulations performed in the source plane. We report the detection of 227 galaxy candidates at $z=6-7$ and 25 candidates at $z \\sim 8$. While the total survey area is about 4 arcmin$^{2}$ in each parallel field, it drops to about 0.6 to 1 arcmin$^{2}$ in the cluster core fields because of the strong lensing. We compute the UV luminosity function at $z \\sim 7$ using the combined galaxy sample and perform Monte Carlo simulations to determine the best fit Schechter parameters. We are able to reliably constrain the LF down to an absolute magnitude of $M_{UV}=-15.25$, which corresponds to 0.005$L^{\\star}$. More importantly, we find that the faint-end slope remains steep down to this magnitude limit with $\\alpha=-2.04_{-0.17}^{+0.13}$. Our results confirm the most recent results in deep blank fields but extend the LF measurements more than two magnitudes deeper. The UV LF at $z \\sim 8$ is not very well constrained below $M_{UV}=-18$ due to the small number statistics and incompleteness uncertainties. To assess the contribution of galaxies to cosmic reionization we derive the UV luminosity density at $z\\sim7$ by integrating the UV LF down to an observationally constrained limit of $M_{UV} = -15$. We show that our determination of Log($\ ho_{UV}$)=$26.2\\pm0.13$ (erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$ Mpc$^{-3}$) can be sufficient to maintain the IGM ionized.

研究の動機と目的

• 従来のブランクフィールド調査よりも深さと精度を高めた、z≈6–8の高赤方偏移銀河のrest-frame紫外線輝度関数（UV LF）を制約すること。
• z≈7およびz≈8におけるUV輝度密度を測定することで、微弱銀河が宇宙再電離に与える寄与を評価すること。
• ハッブル・フロンティア・フィールズのクラスタがもたらす強力な重力レンズ効果を活用し、通常では検出不可能な極めて微弱で高赤方偏移の銀河を検出し、特徴を特徴づけること。
• 源平面における完全性シミュレーションとレンズ歪み補正を用いて、UV LFの明るさ下端勾配の制約を改善すること。
• 銀河の電離光子予算を評価し、z≈7における再電離を維持するための必要な電離放射線脱出率（f_esc）を特定すること。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡（HST）の3つのフロンティア・フィールズクラスタ（A2744, MACS0416, MACS0717）およびそれらの並列フィールドの深さを活かした、合成的な広い視野と深さの調査を実施。
• CATSチーム（Jauzac et al., 2014, 2015; Limousin et al., 2015）の最新のレンズモデルを適用し、増幅効果と源平面の幾何構造を補正した。
• レンズ効果、増幅バイアス、調査の深さを考慮した源平面における完全性シミュレーションを実施し、正確な体積補正を可能にした。
• リーマン・ブレイクの光度選別（ドロップアウト法）を用いて、クラスタおよび並列フィールドでz≈6–7およびz≈8の高赤方偏移銀河候補を同定した。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、観測されたUV LFにシェクテル関数のパラメータ（α, M*, φ*）をフィットし、増幅率と完全性の不確実性に起因する誤差を伝搬させた。
• UV LFをM_UV = −15まで統合し、UV輝度密度（ρ_UV）を計算した。さらに、再電離を維持するための必要な電離放射線脱出率（f_esc）を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レンズ効果を活用した深さのある画像を用いた場合、z≈6–8の銀河のUV輝度関数（UV LF）の形状、特に明るさの下端における形状はどのようになるか？
• RQ2 z≈6–8の超微弱銀河（M_UV ≈ −15.25）は、z≈7における宇宙再電離を維持するのに十分な電離光子を供給できるか？
• RQ3 z≈7におけるUV LFの明るさ下端勾配（α）は、従来のブランクフィールド調査と比較してどう異なるか？また、これは銀河の再電離寄与にどのような示唆を含むか？
• RQ4 z≈7におけるUV輝度密度（ρ_UV）はどの程度か？また、再電離を維持するにはどの程度の電離放射線脱出率（f_esc）が必要か？
• RQ5 z≈8におけるUV LFの制約はz≈7と比較してどうか？主な制限要因は少数統計によるものか？

主な発見

• z≈7におけるUV輝度関数は、M_UV = −15.25まで信頼性高く制約されており、これは0.005 L*に相当する。これは、従来のブランクフィールド調査よりも2マグニチュード以上深い。
• UV LFの明るさ下端勾配は依然として急で、α = −2.04⁺⁰.¹³₋₀.¹⁷であり、z≈7における微弱で低輝度の銀河の豊富さを示唆している。
• z≈7における最良のシェクテル関数パラメータは、M* = −20.89⁺⁰.⁶⁰₋₀.⁷²およびlog(φ*) = −3.54⁺⁰.⁴⁸₋₀.⁴⁵であり、最近のブランクフィールド調査の結果と整合的だが、より明るさの下限まで延長されている。
• z≈7におけるUV輝度密度は、log(ρ_UV) = 26.2 ± 0.13 erg s⁻¹ Hz⁻¹ Mpc⁻³として測定され、電離放射線脱出率f_esc > 10–15%であれば再電離を維持するのに十分である。
• z≈8では、M_UV = −18未満の領域は2つの銀河しか検出されていないため、UV LFの制約は弱いが、過去の研究と一貫している。
• レンズ増幅と源平面における完全性シミュレーションの組み合わせにより、高い増幅率だが有効体積が小さいクラスタコア部においても、微弱銀河の検出とフラックス補正が信頼性を持って可能になった。