[論文レビュー] The ALMA Frontier Fields survey I: 1.1 mm continuum detections in Abell 2744, MACSJ0416.1-2403 and MACSJ1149.5+2223

Jorge González-López, F. E. Bauer+22 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Jul 13, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 64被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、深紫外・赤外線画像と強力な重力レンズ効果を用いて、1.1 mm波長で3つの巨大銀河団において12個のほこりを含む星形成銀河（DSFG）を検出する初のALMA Frontier Fields調査を実施した。この結果、明るいDSFGと同様に、レンズ効果補正後のサイズが一貫しているが、分散が大きいことから、明るい対象よりも広がっている可能性が示唆された。

ABSTRACT

Dusty star-forming galaxies are among the most prodigious systems at high redshift (z>1), characterized by high star formation rates and huge dust reservoirs. The bright end of this population has been well characterized in recent years, but considerable uncertainties remain for fainter dusty star-forming galaxies, which are responsible for the bulk of star formation at high redshift and thus play a key role in galaxy growth and evolution. In this first paper of our series, we describe our methods for finding high redshift faint dusty galaxies using millimeter observations with ALMA. We obtained ALMA 1.1 mm mosaic images for three strong-lensing galaxy clusters from the Frontier Fields survey. The 2'x2' mosaics overlap with the deep HST WFC3/IR footprints and encompass the high magnification regions of each cluster. The combination of extremely high ALMA sensitivity and the magnification power of these clusters allows us to systematically probe the sub-mJy population of dusty star-forming galaxies over a large surveyed area. We present a description of the reduction and analysis of the ALMA continuum observations for the galaxy clusters Abell 2744 (z=0.308), MACSJ0416.1-2403 (z=0.396) and MACSJ1149.5+2223 (z=0.543), for which we reach observed rms sensitivities of 55, 59 and 71 $μ$Jy beam$^{-1}$ respectively. We detect 12 dusty star-forming galaxies at S/N>5.0 across the three clusters, all of them presenting coincidence with NIR detected counterparts in the HST images. None of the sources fall close to the lensing caustics, thus they are not strongly lensed. The observed 1.1 mm flux densities for the total sample of galaxies range from 0.41 to 2.82 mJy, with observed effective radii spanning <0.05" to 0.37"$\pm$0.21". The lensing-corrected sizes of the detected sources appear to be in the same range as those measured in brighter samples, albeit with possibly larger dispersion.

研究の動機と目的

• ALMAの深紫外1.1 mm連続スペクトル観測を用いて、高赤方偏移領域におけるほこりを含む星形成銀河（DSFG）の微弱なサブミリヤード・マイクロ・ジャウル（sub-mJy）領域を体系的に調査すること。
• 3つのFrontier Fields銀河団（Abell 2744、MACSJ0416.1-2403、MACSJ1149.5+2223）の強力な重力レンズ効果を活用し、感度を向上させ、より微弱な源を検出すること。
• レンズ効果による増幅を補正した上で、これらの高赤方偏移DSFGの内在的物理的性質（特に放射度と有効半径）を特徴づけること。
• サブミリ波長と近赤外線の発光の空間的重合度を評価し、源の関連付けと位置決めの整合性を検証すること。
• 微弱なDSFG集団が、明るくよく研究されたDSFGと比較して構造的差異（例：サイズ分布）を示すかどうかを調査すること。

提案手法

• 3つの強力なレンズ効果を示す銀河団の中心部に約2′ × 2′の領域を対象として、ALMAを用いて1.1 mm連続スペクトルのモザイク画像を取得。HST WFC3/IRデータと重複する領域をカバー。
• Abell 2744、MACSJ0416.1-2403、MACSJ1149.5+2223のそれぞれで、観測されたルート・マン・スクエア（rms）感度は55、59、71 μJy beam⁻¹であった。感度の変動は観測条件や影の影響によるもの。
• 自然重み付きマップを用いて、S/N ≥ 5.0の12個の源を特定。これらすべてがHST F160W対応源を有していた。
• uv平面で2次元ガウスモデルをuvmcmcfitコードを用いてフィッティングし、各検出源の1.1 mmにおける全放射度と角サイズを推定。
• 赤方偏移z = 2を仮定して、スペクトル的赤方偏移が不明な源については、CATS、Merten & Zitrin、Sharon、Williams、GLAFIC、Diegoのグループによるレンズ増幅モデルを適用し、内在的（増幅解除済み）放射度とサイズを導出。
• ALMAとHSTの位置決めのずれを評価したところ、平均的な散乱は約0.1′′であり、A2744では赤経方向に約0.13′′のずれが見られた。これは一部の源で実際の空間的ずれがある可能性を示唆している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力レンズ効果による増幅を補正した上で、微弱なほこりを含む星形成銀河（サブミリヤード・マイクロ・ジャウル源）の内在的サイズ分布はどのように分布しているか？
• RQ2 サブミリヤード・マイクロ・ジャウルDSFGの物理的性質（放射度、サイズ）は、明るくかつよく研究されたDSFGと比較してどう異なるか？
• RQ3 高赤方偏移銀河において、サブミリ波長と近赤外線の発光はどの程度空間的に一致しているか？
• RQ4 個々の源において、サブミリ波長と光学発光のピーク間に顕著な空間的ずれが生じる可能性はあり、それは遮蔽された星形成に何を示唆するか？
• RQ5 Frontier Fields銀河団の高増幅領域におけるALMA 1.1 mm観測の感度とダイナミックレンジはどの程度で、微弱なDSFGの検出をどのように可能にしているか？

主な発見

• 3つの銀河団の全領域で、S/N ≥ 5.0の1.1 mm波長で12個のほこりを含む星形成銀河が検出され、すべてが明確なHST F160W対応源を有していた。
• 観測された1.1 mm放射度は0.411～2.816 mJyの範囲にあり、観測された有効半径は約0.′′05～0.′′37 ± 0.′′21の間であった。
• レンズ効果による増幅（μ ≈ 1.5–4.2）を補正した結果、検出された源の内在的（増幅解除済み）サイズは、明るいDSFGと一貫しており、分散が大きいことが判明した。
• 約2/3の源が、明るいDSFGの平均サイズの1.6倍以上に相当する増幅解除済みサイズを示しており、微弱な源のうち広がった性質を持つ集団が存在する可能性を示唆している。
• ALMAとHSTの位置決めのずれは平均して小さく（約0.1′′）、サブミリ波長と光学発光が良好に重なっていることを示しているが、A2744領域では赤経方向に約0.13′′のずれが観測された。
• A2744-ID02では、サブミリ波長と近赤外線のピーク間に約0.′′5（源面で約4 kpc）の顕著な空間的ずれが認められ、空間的に分解された高遮蔽星形成が存在する可能性を示唆している。