[論文レビュー] CLASH: Three Strongly Lensed Images of a Candidate z ~ 11 Galaxy

Dan Coe, Adi Zitrin+21 more|Americanae (AECID Library)|Nov 15, 2012

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、MACSJ0647.7+7015銀河団による強い重力レンズ効果を通じて発見された、z ≈ 11の銀河候補MACS0647-JDを提示する。ハッブル宇宙望遠鏡のWFC3/IRフィルタで、3つの歪み拡大された像が12–13σの有意水準で検出された。銀河の光度赤方偏移はz = 10.7₊₀.₆⁻⁰.₄（95%信頼区間）であり、UVからIRフィルタにかけてのドロップアウト行動とスパッツァー非検出結果を併せ考えると、高赤方偏移起源である可能性が支持され、発表当時、最も遠方の既知の銀河候補となった。

ABSTRACT

We present a candidate for the most distant galaxy known to date with a photometric redshift z = 10.7 +0.6 / -0.4 (95% confidence limits; with z < 9.5 galaxies of known types ruled out at 7.2-sigma). This J-dropout Lyman Break Galaxy, named MACS0647-JD, was discovered as part of the Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble (CLASH). We observe three magnified images of this galaxy due to strong gravitational lensing by the galaxy cluster MACSJ0647.7+7015 at z = 0.591. The images are magnified by factors of ~8, 7, and 2, with the brighter two observed at ~26th magnitude AB (~0.15 uJy) in the WFC3/IR F160W filter (~1.4 - 1.7 um) where they are detected at >~ 12-sigma. All three images are also confidently detected at >~ 6-sigma in F140W (~1.2 - 1.6 um), dropping out of detection from 15 lower wavelength HST filters (~0.2 - 1.4 um), and lacking bright detections in Spitzer/IRAC 3.6um and 4.5um imaging (~3.2 - 5.0 um). We rule out a broad range of possible lower redshift interlopers, including some previously published as high redshift candidates. Our high redshift conclusion is more conservative than if we had neglected a Bayesian photometric redshift prior. Given CLASH observations of 17 high mass clusters to date, our discoveries of MACS0647-JD at z ~ 10.8 and MACS1149-JD1 at z ~ 9.6 are consistent with a lensed luminosity function extrapolated from lower redshifts. This would suggest that low luminosity galaxies could have reionized the universe. However given the significant uncertainties based on only two galaxies, we cannot yet rule out the sharp drop off in number counts at z >~ 10 suggested by field searches.

研究の動機と目的

• z ≈ 11に近い赤方偏移を持つ、これまでに知られている最も遠方の銀河候補を同定・特徴付けること。
• 巨大銀河団による強い重力レンズ効果を活用し、ハッブル望遠鏡の固有感度を超えるほどの微弱で高赤方偏移の銀河を増幅すること。
• MACS0647-JDの観測された光度ドロップアウトおよびスペクトルエネルギー分布（SED）の形状が、z ≈ 11の起源と整合するかを検証し、低赤方偏移の混入物（干渉者）を除外すること。
• この検出結果が、初期宇宙における明るさ関数および再電離歴史に与える意味を評価すること。
• レンズモデル化と再投影技術を用いて、銀河の固有の性質（サイズ、明るさ、星の質量など）を特定すること。

提案手法

• CLASH調査から得られた、ハッブル宇宙望遠鏡のWFC3/IRおよびACS画像を用い、17個の巨大銀河団にまつわる高赤方偏移銀河候補を検出した。
• 強い重力レンズモデルを適用し、3つの観測された歪み拡大像（増幅率は約8、7、2）からMACS0647-JDの固有源の性質を再構成した。
• ベイズ的事前分布を用いたSEDフィッティングを用いた光度赤方偏移解析を実施し、低赤方偏移での既知の銀河タイプと明るさ関数を組み込んだ。
• 観測されたHSTおよびスパッツァー/IRACの光度（F140W、F160W、3.6μm、4.5μm）をモデル化されたSEDと比較し、z ≈ 11に一致するライマンブレークとドロップアウト行動を同定した。
• 低赤方偏移の混入物、特に既に発表済みの高赤方偏移候補を含む広範な範囲を検討し、代替説を除外した。
• レンズ増幅率を用いて、再投影およびデルーニング技術により、固有の明るさおよび物理的性質（例：星の質量、半光半径）を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハッブル・アンダーディープフィールドおよびCLASH調査データにおいて、強い重力レンズ効果を用いてz ≈ 11の銀河を検出できるか？
• RQ2 HSTフィルタでの観測された光度ドロップアウト行動は、z ≈ 11のライマンブレーク銀河と整合するか。それとも、低赤方偏移の混入物によって説明可能か？
• RQ3 レンズ増幅補正後のMACS0647-JDの固有の明るさ、サイズ、星の質量は何か？
• RQ4 レンズ効果を受ける高赤方偏移銀河の数密度は、低赤方偏移からの明るさ関数の外挿と整合的か？
• RQ5 MACS0647-JDの検出は、低明るさ銀河が初期宇宙の再電離を引き起こしたという仮説を支持するものか？

主な発見

• MACS0647-JDは95%信頼区間でz ≈ 10.7₊₀.₆⁻⁰.₄の銀河と特定され、z < 9.5の既知の銀河タイプは7.2-σの有意水準で除外された。
• WFC3/IR F160Wフィルタで、銀河の3つの強くレンズ効果を受ける像が12σ以上で検出され、増幅率は約8、7、2であった。
• 銀河はライマンブレークを示し、1.4μm未満のすべてのHSTフィルタで検出不能となり、スパッツァー/IRACの3.6μmおよび4.5μmバンドでも顕著な検出はなかった。
• デルーニング（元の状態に復元）されたAB等級は約28.2であり、明るさは約20 nJy（最も明るい像では約0.2 μJy）に相当し、z ≈ 11の源と整合的であった。
• 解像度を高めたデルーニングされた半光半径は≤100 pcであり、低赤方偏移からの外挿と比べて小さく、星の質量は約10⁸–10⁹ M☉であった。
• CLASH調査において、z ≈ 10.8のMACS0647-JDとz ≈ 9.6のMACS1149-JD1の両方の検出は、低赤方偏移からの明るさ関数を線形に外挿したものと整合的であり、低明るさ銀河が再電離に貢献した可能性を示唆している。