[論文レビュー] The Cosmic Infrared Background Resolved by Spitzer. Contributions of Mid-Infrared Galaxies to the Far-Infrared Background

H. Dole, G. Lagache+8 more|CERN Bulletin|Mar 8, 2006

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 277

ひとこと要約

本研究では、深紫外領域におけるスピッツァーMIPS 24 μm源のスタッキング解析を用いて、遠赤外線宇宙赤外背景（CIB）への中赤外線銀河の寄与を直接測定した。24 μmで選別された銀河は、70および160 μmにおけるCIBの70%以上を解明しており、赤方偏移z ∼ 1における高赤方偏移赤外線銀河（LIRGs）が主な寄与者であることが判明した。また、CIBと宇宙光学背景（COB）の明るさは、約24 nW m⁻² sr⁻¹でほぼ等しくなることが示された。

ABSTRACT

Aims. We quantify the contributions of 24um galaxies to the Far-Infrared (FIR) Background at 70 and 160um. We provide new estimates of the Cosmic Infrared Background (CIB), and compare it with the Cosmic Optical Background (COB). Methods. Using Spitzer data at 24, 70 and 160um in three deep fields, we stacked more than 19000 MIPS 24um sources with S24>60uJy at 70 and 160um, and measured the resulting FIR flux densities. Results. This method allows a gain up to one order of magnitude in depth in the FIR. We find that the Mid-Infrared (MIR) 24um selected sources contribute to more than 70% of the CIB at 70 and 160um. This is the first direct measurement of the contribution of MIR-selected galaxies to the FIR CIB. Galaxies contributing the most to the total CIB are thus z~1 luminous infrared galaxies, which have intermediate stellar masses. We estimate that the CIB will be resolved at 0.9 mJy at 70 and 3 mJy at 160um. By combining the extrapolation of the 24um source counts below 60uJy, with 160/24 and 70/24 colors as measured with the stacking analysis, we obtain lower limits of 7.1+/-1.0 and 13.4+/-1.7 nW/m2/sr for the CIB at 70 and 160um, respectively. Conclusions. The MIPS surveys have resolved more than three quarters of the MIR and FIR CIB. By carefully integrating the Extragalactic Background Light (EBL) SED, we also find that the CIB has the same brightness as the COB, around 24 nW/m2/sr. The EBL is produced on average by 115 infrared photons for one visible photon. Finally, the galaxy formation and evolution processes emitted a brightness equivalent to 5% of the primordial electromagnetic background (CMB).

研究の動機と目的

• 70および160 μmにおける遠赤外線（FIR）宇宙赤外背景（CIB）への、中赤外線（24 μm）で選別された銀河の寄与を定量化すること。
• 深紫外スパッツァー領域におけるスタッキング技術を用いて、FIR調査の混乱限界以下のCIBを解明すること。
• 24 μm源のカウントをより弱いフラックスに外挿することで、70および160 μmにおけるCIBの下限を推定すること。
• 全CIBと宇宙光学背景（COB）を比較し、銀河間背景光（EBL）のエネルギー予算を評価すること。
• EBLのスペクトルエネルギー分布（SED）を制約し、銀河形成および進化プロセスによって生成された赤外線と可視光の光子の比を特定すること。

提案手法

• 19,181個のスパッツァーMIPS 24 μm源（S₂₄ ≥ 60 μJy）を、3つの深紫外領域で70および160 μmにおいてスタッキング解析し、より弱いFIRフラックスを探索する。
• スタックされた源からの平均FIRフラックス密度を測定し、CIBへの総寄与を推定する。
• 信号対ノイズ比を確実に保つために、光度測定ノイズ、キャリブレーションの系統的誤差、大規模構造をノイズ予算に組み込む。
• 弱い24 μm源に対して一定の色比（160/24および70/24）を用いて外挿し、70および160 μmにおけるCIBの下限を推定する。
• スタッキング結果と源カウントの外挿、高エネルギー実験からの上限を組み合わせて、EBL SEDの全範囲を制約する。
• 最良の推定SEDを統合し、全CIBおよびCOBの明るさを計算し、赤外線と可視光の光子の比を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 24 μmで選別された銀河は、70および160 μmにおける遠赤外線宇宙赤外背景（CIB）のどの程度を寄与しているか？
• RQ2 FIR調査の混乱限界以下のCIBは、24 μm源のスタッキング解析によってどの程度解明可能か？
• RQ3 24 μmで検出されない銀河の寄与を含めた、70および160 μmにおけるCIBの下限推定値は何か？
• RQ4 宇宙赤外背景（CIB）と宇宙光学背景（COB）の全明るさは、どのように比較できるか？
• RQ5 銀河形成および進化プロセスによって生成された赤外線光子と可視光光子の比は何か？

主な発見

• 24 μmで選別された銀河は、24、70、160 μmにおけるCIBにそれぞれ79%、92%、69%を寄与しており、70 μmで最大の寄与を示した。
• スタッキング解析により、70および160 μmにおけるCIBの75%以上が解明された。CIBは、70 μmで約0.9 mJy、160 μmで約3 mJyのフラックス密度で解明された。
• 70 μmにおけるCIBの下限推定値は7.1 ± 1.0 nW m⁻² sr⁻¹、160 μmでは13.4 ± 1.7 nW m⁻² sr⁻¹であり、モデル予測と整合的であった。
• 全CIBとCOBの明るさはほぼ等しく、両者とも約24 nW m⁻² sr⁻¹と推定され、COB/CIB比は1に近かった。
• 銀河形成および進化プロセスにより、CMBの5%に相当する背景明るさが生成され、直接星光（COB）とダスト再放射光（CIB）が等しく寄与した。
• 平均して、1つの可視光光子に対して115個の赤外線光子が、銀河間背景光で生成された。