[論文レビュー] Detection of a Lensed z$\approx$11 Galaxy in the Rest-Optical with Spitzer/IRAC and the Inferred SFR, Stellar Mass, and Physical Size

Daniel Lam, R. J. Bouwens+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2019

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、強力なレンズ効果によって歪められた赤方偏移 z≈11 の銀河 MACS0647-JD の深宇宙スパイクター/IRAC観測を活用して、星間質量、年齢、星形成率、物理的サイズなどのその物理的性質を制約した。レンズ効果の増幅を用いることで観測限界を克服し、星間質量 log₁₀(M*/M☉) = 9.1⁺⁰.²₋₁.₄、年齢 log₁₀(age/yr) = 8.6⁺⁰.¹₋₂.₁、そして驚くべきほどコンパクトなサイズ 105±28 pc を得た。これは、シミュレーションにおける極めて初期の銀河と整合的である。

ABSTRACT

We take advantage of new 100-hour Spitzer/IRAC observations available for MACS0647-JD, a strongly lensed $z\approx11$ galaxy candidate, to provide improved constraints on its physical properties. Probing the physical properties of galaxies at $z>8$ is challenging due to the inherent faintness of such sources and the limited wavelength coverage available. Thanks to the high $\approx$2-6$ imes$ lensing magnification of the multiple images of MACS0647-JD, we can use the sensitive Spitzer/IRAC data to probe the rest-frame optical fluxes of MACS0647-JD and investigate its physical properties including the age and the stellar mass. In deriving Spitzer/IRAC fluxes for MACS0647-JD, great care is taken in coping with the impact of three bright ($\approx$8-16 mag) stars in our field to ensure robust results. Assuming a constant star formation rate, the age, stellar mass, and rest-frame UV slope we estimate for MACS0647-JD based on a stack of the photometry are log$_{10}$(age/yr) = 8.6$^{+0.1}_{-2.1}$, log$_{10}$(M$_{*}$/M$_{\odot}$) = 9.1$^{+0.2}_{-1.4}$, and $β= -$1.3$\pm$0.6, respectively. We compare our results with expectations from the EAGLE simulation and find that MACS0647-JD has properties consistent with corresponding to the most massive and rapidly star-forming galaxies in the simulation. We also find that its radius, 105$\pm$28 pc, is a factor of $\approx$2 smaller than the mean size in a separate simulation project DRAGONS. Interestingly enough, the observed size is similar to the small sizes seen in very low-luminosity $z\approx$6-10 galaxies behind lensing clusters.

研究の動機と目的

• 赤方偏移 z≈11 の高赤方偏移銀河の物理的性質をより厳密に制約すること。特に、静止系光学領域の放射がハッブル望遠鏡の感度範囲を超えて赤方偏移している状況を想定する。
• 源の微弱さと波長カバー範囲の制限といった観測的課題を、強力な重力レンズ効果による増幅を用いることで克服すること。
• スパイクター/IRACを用いて MACS0647-JD の静止系光学フラックスを測定し、年齢、質量、星形成率といった星族合成パラメータを導出すること。
• 得られた物理的性質を、宇宙論的シミュレーション（EAGLE および DRAGONS）の予測と比較し、理論的モデルとの整合性を評価すること。

提案手法

• MACS0647 クラスタがレンズ効果を及ぼす z≈11 の銀河 MACS0647-JD を標的とした 100 時間分のスパイクター/IRAC観測を実施。増幅率は約 2–6 であった。
• 正確な光度測定を実現するため、周辺の明るい星からの汚染を差し引くことで、複数の像における信頼性の高いフラックス測定を実施。
• 複数の像からの光度データを統合してスタックされた SED を作成し、星族合成モデルのフィッティングを安定化させ、年齢、星間質量、UV傾斜を推定した。
• 一定星形成率を仮定した星族合成モデリングを適用し、SED から物理的パラメータを導出。
• 得られた星間質量およびサイズを、EAGLE および DRAGONS 宇宙論的シミュレーションの予測と比較し、整合性を評価。
• 高解像度画像およびレンズモデルを用いて、増幅およびデコンボリューション効果を考慮した物理的半光半径を測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移 z≈11 の銀河の静止系光学的性質は何か？ ただし、その星間連続スペクトルはハッブル望遠鏡の感度範囲を超えて赤方偏移している。
• RQ2 MACS0647-JD の星間質量、年齢、星形成率は、EAGLE のような宇宙論的シミュレーションの予測とどのように異なるか？
• RQ3 MACS0647-JD の物理的サイズは何か？ また、同程度の赤方偏移におけるシミュレーション銀河と比較するとどうなるか？
• RQ4 観測された MACS0647-JD のコンパクトなサイズは、現在の初期銀河形成モデルにどの程度挑戦的か、あるいは支持的か？
• RQ5 レンズ効果の増幅は、極めて微弱で高赤方偏移の源の検出および特徴付けをどのように可能にするか？

主な発見

• MACS0647-JD の星間質量は log₁₀(M*/M☉) = 9.1⁺⁰.²₋₁.₄ と推定され、比較的質量の大きな初期銀河であることを示している。
• 推定された年齢は log₁₀(age/yr) = 8.6⁺⁰.¹₋₂.₁ であり、ビッグバン後約 4 億年以内に形成された銀河を示している。
• 静止系UV傾斜は β = -1.3 ± 0.6 と測定され、比較的青い連続スペクトルと低いダスト減光を示している。
• MACS0647-JD の物理的半光半径は 105 ± 28 pc であり、DRAGONS シミュレーションにおける一般的な z≈11 の銀河と比較して約 2 倍コンパクトである。
• 観測されたサイズは、レンズ効果を介した銀河クラスタの後方にある低光度の z≈6–10 の銀河で観測された小さなサイズと整合的であり、共通の形成メカニズムの可能性を示唆している。
• 得られた物理的性質により、MACS0647-JD は EAGLE シミュレーションにおける最も質量が大きく、星形成が活発な銀河の一つに位置づけられ、高赤方偏移銀河進化モデルとの整合性が支持された。