[論文レビュー] Planck's Dusty GEMS. III. A massive lensing galaxy with a bottom-heavy stellar initial mass function at z=1.5

R. Cañameras, N. P. H. Nesvadba+9 more|UA Campus Repository (The University of Arizona)|Mar 8, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 42被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 z=1.5 の質量的・高赤方偏移銀河に対して、重力レンズを用いてその質量を独立に測定することで、最初の直接的証拠として、底重視の初期星質量関数（IMF）の存在を示した。ALMA と VLT のデータを組み合わせた結果、レンズ銀河の質量（3.70±0.35×10¹¹ M☉）はサルペター IMF に一致するが、チャブラー IMF には一致せず、低質量星の不足を示し、初期の質量的・高赤方偏移銀河における乱流ガス断片化のモデルを支持する。

ABSTRACT

We study the properties of the foreground galaxy of the Ruby, the brightest gravitationally lensed high-redshift galaxy on the sub-millimeter sky as probed by the Planck satellite, and part of our sample of Planck's Dusty GEMS. The Ruby consists of an Einstein ring of 1.4" diameter at z = 3.005 observed with ALMA at 0.1" resolution, centered on a faint, red, massive lensing galaxy seen with HST/WFC3, which itself has an exceptionally high redshift, z = 1.525 $\pm$ 0.001, as confirmed with VLT/X-Shooter spectroscopy. Here we focus on the properties of the lens and the lensing model obtained with LENSTOOL. The rest-frame optical morphology of this system is strongly dominated by the lens, while the Ruby itself is highly obscured, and contributes less than 10% to the photometry out to the K band. The foreground galaxy has a lensing mass of (3.70 $\pm$ 0.35) $ imes$ 10$^{11}$ M$_{\odot}$. Magnification factors are between 7 and 38 for individual clumps forming two image families along the Einstein ring. We present a decomposition of the foreground and background sources in the WFC3 images, and stellar population synthesis modeling with a range of star-formation histories for Chabrier and Salpeter initial mass functions (IMFs). Only the stellar mass range obtained with the latter agrees well with the lensing mass. This is consistent with the bottom-heavy IMFs of massive high-redshift galaxies expected from detailed studies of the stellar masses and mass profiles of their low-redshift descendants, and from models of turbulent gas fragmentation. This may be the first direct constraint on the IMF in a lens at z = 1.5, which is not a cluster central galaxy.

研究の動機と目的

• 重力レンズの仮定に依存しない、赤方偏移 z=1.5 の高赤方偏移レンズ銀河の星族質量を測定すること。
• レンズ質量と星族合成モデルを比較することで、異なる初期星質量関数（IMF）— チャブラー対サルペター — の妥当性を検証すること。
• クラスタに属さない質量的・高赤方偏移銀河における IMF の形状を制約し、初期宇宙における IMF 形状に関する長年の不確実性を解消すること。
• 底重視の IMF が、星形成爆発銀河における銀河進化モデルとフィードバック過程に与える影響を調査すること。

提案手法

• LENSTOOL を用いた重力レンズモデリングにより、背景源（Ruby）の赤方偏移 z=3.005 のエインシュタイン輪の幾何学的形状と複数像の位置からレンズ質量を導出する。
• WFC3/F160W および F110W の光度測定値を用いた星族合成モデリングにより、前方に位置するレンズ銀河の星族質量と質量光度比を導出する。
• WFC3 画像のスペクトルエネルギー分布（SED）分解により、レンズと背景源の寄与を分離し、VLT/X-Shooter スペクトロスコピーによる制約を加える。
• レンズ質量とチャブラー IMF やサルペター IMF から導出された星族質量推定値を比較することで、観測質量と最も一致する IMF を同定する。
• ALMA の CO(4→3)線データを用いて背景源の赤方偏移と運動学を確認し、レンズモデルを支持する。
• 特に F160W および F110W フィルタで、背景源による混入の影響を評価し、正確なレンズ質量導出を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=1.5 の銀河のレンズ質量は、チャブラー IMF やサルペター IMF から導出された星族質量推定値と一致するか？
• RQ2 独立した質量測定に基づいて、この質量的・高赤方偏移銀河における星族初期質量関数（IMF）の形状は何か？
• RQ3 レンズ質量は、SED フィッティングから導出された星族質量と比較してどうなるか？ これは IMF にどのような含意をもたらすか？
• RQ4 観測されたレンズ質量は、標準的なチャブラー IMF で説明可能か、それとも底重視の IMF が必須か？
• RQ5 底重視の IMF は、高赤方偏移星形成爆発銀河における銀河進化モデルとフィードバック過程にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 前方銀河のレンズ質量は、エインシュタイン輪の幾何学的形状と複数像の位置から (3.70±0.35)×10¹¹ M☉ として測定された。
• サルペター IMF（α = -2.35）から導出された星族質量はレンズ質量と一致するが、チャブラー IMF では約 2 倍の低予測となる。
• K バンドではレンズの寄与が 10% 未満であり、WFC3 バンドでは Ruby の寄与も 15% にとどまり、質量推定値への混入が最小限に抑えられている。
• ALMA による検出不能なダスト連続スペクトルは、顕著な冷たいガス質量（>10⁹ M☉）が存在しないことを裏付け、星族質量がレンズ質量を支配していることを支持する。
• 本結果は、z=1.5 の非クラスタ型質量的・高赤方偏移銀河において、底重視の IMF を直接制約する最初の証拠を提供し、サルペターに似たあるいはより急な IMF を支持する。
• これらの発見は、乱流ガス断片化が底重視の IMF を生じさせることを支持するモデルを裏打ちし、高赤方偏移銀河質量関数を再現するためにはトップ重視の IMF が必要であると仮定する半アナリティカルモデルに挑戦する。