[論文レビュー] HST Frontier Fields ("FRONTIER")

Jennifer M. Lotz|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 7

ひとこと要約

フロンティア・フィールズ計画は、6つの巨大銀河団の強い重力レンズ効果を活用して、ハッブル宇宙望遠鏡とスプツニク宇宙望遠鏡の観測を組み合わせ、宇宙の遠方部分における史上最大の赤外線および可視光画像を達成した。自然の重力望遠鏡を活用することで、赤方偏移z > 6の領域に位置する、固有の明るさが30–33 ABマグニチュードにまで及ぶ非常に暗い銀河を調査可能となり、初期の銀河形成および暗黒物質の分布に関する前例のない研究が可能になった。

ABSTRACT

International audience

研究の動機と目的

• ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の打ち上げ以前に、初期の宇宙における最も暗く遠方の銀河を検出する観測の限界を押し広めること。
• 巨大銀河団による強い重力レンズ効果を活用して背景銀河を増幅・拡大し、空の領域（ブラックフィールド）での観測では達成できない深さの観測を可能にすること。
• 再電離時代（6 < z < 10）における高赤方偏移銀河の統計的に信頼性の高いデータセットを構築し、発光関数の明るさの下端を制約すること。
• 広く天文コミュニティが利用可能な非独占的レンズモデルおよび深紫外・多波長画像を提供すること。
• 地上および宇宙望遠鏡施設による多波長フォローアップ観測を可能にするために、クラスターフィールドおよび並列フィールドで高動態範囲の深さのデータを提供すること。

提案手法

• 高レンズ強度、銀河赤道外れの低減光、地上観測に適した条件を満たす6つの巨大銀河団（アベル2744、MACSJ0416、MACSJ0717、MACSJ1149、アベルS1063、アベル370）を選定した。
• ハッブル宇宙望遠鏡のACS/WFCおよびWFC3/IRカメラを用いて、HSTサイクル22、23、24の期間中に合計840軌道にわたる深紫外観測を、クラスターフィールドおよび並列のブラックフィールドで実施した。
• スプツニク宇宙望遠鏡のIRAC 3.6および4.5ミクロン観測を1000時間以上取得し、5σ点源深度をそれぞれ約26.5および26.0 ABマグニチュードまで達成した。
• 並列フィールドでは7つの可視光および近赤外バンドパスで5σ点源深度が約29 ABマグニチュードに達し、現在までに得られたハッブル宇宙望遠鏡観測の中で2番目に深いものとなった。
• GLAFIC、CATS、Merten & Zitrin、Diegoらの共同レンズモデリング作業を活用し、非独占的で公開可能な質量分布および拡大率マップを生成した。
• ハッブル宇宙望遠鏡とスプツニクのデータを統合し、赤方偏移の推定、星団の性質モデリング、高赤方偏移銀河の形態的解析を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力レンズ増幅効果を用いて、初期の宇宙（z > 6）で検出可能な銀河の最も暗い固有の明るさはどれか？
• RQ2 巨大銀河団による強いレンズ効果は、空の領域（ブラックフィールド）と比較して、どのようにより深い観測を可能にするか？
• RQ3 フロンティア・フィールズデータは、再電離時代における銀河発光関数の下端にどのような制約をもたらすか？
• RQ4 強いレンズ効果と弱いレンズ効果のモデルを用いて、巨大銀河団内の暗黒物質分布をどの程度正確にマッピングできるか？
• RQ5 レンズ効果で強く拡大された領域で、どのような一時的現象（例：超新星）が検出可能か？

主な発見

• フロンティア・フィールズの並列フィールドでは、7つの可視光および近赤外バンドパスで5σ点源深度が約29 ABマグニチュードに達し、現在までに得られたハッブル宇宙望遠鏡観測の中で2番目に深いものとなった。
• 銀河団のレンズ効果により、臨界曲線領域では背景の銀河が10–100倍に拡大され、固有の明るさが30–33 ABマグニチュードにまで及ぶ銀河を調査可能となった。
• 再電離時代（6 < z < 10）において、これまでに観測されたことのないほど明るさの低い銀河が検出された。その固有の発光度はM_UV ≈ -15マグニチュード未満であった。
• マクルスキー宇宙望遠鏡アーカイブ（MAST）およびNASA/IPAC赤外科学アーカイブを通じて、公開用のレンズモデルおよびデータが提供された。
• 70件を超える査読付き論文および多数の国際会議が、フロンティア・フィールズデータに基づいて発表され、高赤方偏移銀河、暗黒物質マップ、一時的現象の研究が含まれる。
• 全データセットは、z > 6における銀河発光関数の下端勾配に対する強い統計的制約を提供しており、Robertsonら（2015）の研究でその有効性が示された。