[論文レビュー] Dusty starburst galaxies in the early Universe as revealed by gravitational lensing

J. D. Vieira, Daniel P. Marrone+68 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、ALMAを用いて強いレプス効果を示すミリ波高輝度源を観測することで、初期宇宙における-dusty starburst galaxiesを重力レンズ効果を用いて明らかにした。z > 4の10個の銀河を同定し、それらの明るくほこりを含む星形成爆発的銀河が、従来の認識よりもはるかに多く存在していたことを示し、極端な星形成を通じて初期銀河進化が駆動されていたことを確認した。

ABSTRACT

In the past decade, our understanding of galaxy evolution has been revolutionized by the discovery that luminous, dusty, starburst galaxies were 1,000 times more abundant in the early Universe than at present. It has, however, been difficult to measure the complete redshift 2 distribution of these objects, especially at the highest redshifts (z > 4). Here we report a redshift survey at a wavelength of three millimeters, targeting carbon monoxide line emission from the star-forming molecular gas in the direction of extraordinarily bright millimetrewave-selected sources. High-resolution imaging demonstrates that these sources are strongly gravitationally lensed by foreground galaxies. We detect spectral lines in 23 out of 26 sources and multiple lines in 12 of those 23 sources, from which we obtain robust, unambiguous redshifts. At least 10 of the sources are found to lie at z > 4, indicating that the fraction of dusty starburst galaxies at high redshifts is greater than previously thought. Models of lens geometries in the sample indicate that the background objects are ultra-luminous infrared galaxies, powered by extreme bursts of star formation.

研究の動機と目的

• 初期宇宙におけるほこりを含む星形成爆発的銀河の赤方偏移分布を測定すること、特にz > 4の領域において、直接検出が困難である点を目的とする。
• 高赤方偏移銀河調査における観測バイアスを克服するため、重力レンズ効果を活用して微弱で遠方の源を増幅・分解能を高めて観測すること。
• 初期宇宙における極めて明るい赤外線発光銀河（ULIRGs）が、極端な星形成によって駆動されているかを同定・特徴づけること。
• レンズ効果を用いたミリ波選択のサンプルを用いて、ほこりを含む星形成爆発的銀河の真の豊度と赤方偏移分布を特定すること。
• 多波長画像およびスペクトル測定を用いてレンズ効果仮説を検証し、ミリ波放射と前方のレンズ銀河との関連を明確にすること。

提案手法

• ミリ波フレックスおよびほこりに類似したスペクトル指数に基づき、南極望遠鏡調査から47個の高赤方偏移銀河候補を選定した。
• CO線スペクトル線および連続スペクトルの検出を目的として、高分解能の870 μmおよび3 mm ALMA画像およびスペクトル測定を実施した。
• 背景銀河の幾何構造と固有の性質を推定するために、重力レンズモデルを用いた再構成を実施した。
• レンズ銀河とミリ波発光の位置一致を確認するため、ALMAの3 mmおよび870 μmデータを近赤外およびサブミリ波帯の画像と照合した。
• CO線遷移（例：CO(3-2)、CO(4-3)）を用いた赤方偏移決定を行い、曖昧な赤方偏移については外部データおよびほこり温度制約を用いて検証した。
• IRASおよび843 MHzの対応源を除外することで、低赤方偏移の混入物を排除し、高赤方偏移のほこりを含む星形成爆発的銀河候補を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙におけるほこりを含む星形成爆発的銀河の真の赤方偏移分布は何か、特にz > 4の領域について。
• RQ2 ミリ波調査における高赤方偏移星形成爆発的銀河の検出に、重力レンズ効果がどの程度バイアスを生じさせたり、増幅効果をもたらすのか。
• RQ3 初期宇宙における最も明るいほこりを含む銀河は、スペクトルエネルギー分布から示唆されるように、極端で短命の星形成爆発によって駆動されているのか。
• RQ4 レンズ幾何構造および増幅率が、高赤方偏移星形成爆発的銀河の推定された性質にどのように影響を与えるのか。
• RQ5 多波長画像およびスペクトル測定を用いて、ミリ波高輝度源のレンズ効果の有無を確認でき、それらを前方の混入物から区別できるのか。

主な発見

• ALMA対象となった26個の源のうち23個がCO線スペクトル線を検出しており、そのうち12個は複数の線を示しており、信頼性の高い赤方偏移決定が可能であった。
• 26個の源のうち少なくとも10個がz > 4に位置しており、従来の推定値と比較して初期宇宙におけるほこりを含む星形成爆発的銀河の割合が著しく上昇した。
• レンズ効果を受ける源は、星形成率が1,000 M☉/yrを超える超高赤外発光銀河（ULIRGs）と整合的であり、極端でコンパクトな星形成爆発によって駆動されているとされた。
• 高分解能ALMA画像により、強いレンズ効果の痕跡が確認され、ミリ波発光が低赤方偏移の前方銀河または銀河団と空間的に一致した。
• 3つの系が銀河団によるレンズ効果であると特定された一方、他の系はコンパクトな銀河団や個々の銀河によるレンズ効果であったことから、多様なレンズ環境が確認された。
• ほこり温度の制約により、いくつかの源について低赤方偏移解釈が排除された。特にSPT0452-50は、z = 1.007の解釈が不自然に低い温度を示したため、z = 2.010に確認された。