[논문 리뷰] CLASH: Three Strongly Lensed Images of a Candidate z ~ 11 Galaxy

Dan Coe, Adi Zitrin외 21명|Americanae (AECID Library)|2012. 11. 15.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 매크로스0647-지에이스, 강한 중력 렌즈 효과로 인해 발견된 z ≈ 11의 은하 후보자인 매크로스0647-지에이스를 제시한다. 이 은하는 허블 우주망원경 WFC3/IR 필터에서 12–13σ의 유의수준으로 세 개의 증폭된 영상이 검출되었다. 이 은하의 광학적 적색편이 z = 10.7₊₀.₆⁻⁰.₄ (95% 신뢰구간)이며, 자외선에서 적외선 필터에 걸쳐 탈락 행동을 보이며, 스피처 비검출 결과와 결합하여 고적색편이 기원임을 지지한다. 이는 발표 당시까지 알려진 가장 먼 은하 후보자이다.

ABSTRACT

We present a candidate for the most distant galaxy known to date with a photometric redshift z = 10.7 +0.6 / -0.4 (95% confidence limits; with z < 9.5 galaxies of known types ruled out at 7.2-sigma). This J-dropout Lyman Break Galaxy, named MACS0647-JD, was discovered as part of the Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble (CLASH). We observe three magnified images of this galaxy due to strong gravitational lensing by the galaxy cluster MACSJ0647.7+7015 at z = 0.591. The images are magnified by factors of ~8, 7, and 2, with the brighter two observed at ~26th magnitude AB (~0.15 uJy) in the WFC3/IR F160W filter (~1.4 - 1.7 um) where they are detected at >~ 12-sigma. All three images are also confidently detected at >~ 6-sigma in F140W (~1.2 - 1.6 um), dropping out of detection from 15 lower wavelength HST filters (~0.2 - 1.4 um), and lacking bright detections in Spitzer/IRAC 3.6um and 4.5um imaging (~3.2 - 5.0 um). We rule out a broad range of possible lower redshift interlopers, including some previously published as high redshift candidates. Our high redshift conclusion is more conservative than if we had neglected a Bayesian photometric redshift prior. Given CLASH observations of 17 high mass clusters to date, our discoveries of MACS0647-JD at z ~ 10.8 and MACS1149-JD1 at z ~ 9.6 are consistent with a lensed luminosity function extrapolated from lower redshifts. This would suggest that low luminosity galaxies could have reionized the universe. However given the significant uncertainties based on only two galaxies, we cannot yet rule out the sharp drop off in number counts at z >~ 10 suggested by field searches.

연구 동기 및 목표

• 지금까지 알려진 가장 먼 은하 후보를 특정하고 특성화하는 것, 적색편이가 z ≈ 11에 가까운 것.
• 거대 은하 클러스터의 강한 중력 렌즈 효과를 활용하여 허블의 내재 감도를 초월한 희미한 고적색편이 은하를 증폭하는 것.
• 맥스0647-지에이스의 관측된 광학적 탈락 행동과 SED 형상이 z ≈ 11 기원과 일치하는지 확인하고, 낮은 적색편이 간섭자들을 배제하는 것.
• 이 검출 결과가 초기 우주의 빛의 세기 함수와 재이온화 역사를 어떻게 영향을 미치는지 평가하는 것.
• 렌즈 모델링과 역추적 기법을 통해 은하의 본질적 성질, 즉 크기, 빛의 세기, 별질량을 추정하는 것.

제안 방법

• CLASH 조사에서 확보한 허블 우주망원경 WFC3/IR 및 ACS 이미징 자료를 활용하여 17개의 거대 은하 클러스터에서 고적색편이 은하 후보를 탐지하였다.
• 강한 중력 렌즈 모델을 적용하여 세 개의 관측된 증폭된 영상(증폭 인자 약 8, 7, 2)으로부터 매크로스0647-지에이스의 본질적 소스 성질을 재구성하였다.
• 베이지안 사전 확률을 포함한 SED 피팅을 통해 광학적 적색편이 분석을 수행하였으며, 낮은 적색편이에서 알려진 은하 유형과 빛의 세기 함수를 반영하였다.
• 관측된 HST 및 스피처/IRAC 광학 데이터(F140W, F160W, 3.6μm, 4.5μm)를 모델 SED와 비교하여 z ≈ 11과 일치하는 라이만 브레이크와 탈락 행동을 확인하였다.
• 낮은 적색편이 간섭자, 특히 이전에 발표된 고적색편이 은하 후보들을 광범위하게 평가하여 다른 해석 가능성을 배제하였다.
• 렌즈 효과에 의한 증폭을 이용하여 역추적 및 렌즈 제거 기법을 통해 본질적 등급과 물리적 성질(예: 별질량, 반광반경)을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허블 초심도장 및 CLASH 조사 데이터에서 강한 중력 렌즈 효과를 이용해 z ≈ 11의 은하를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 HST 필터에서 관측된 광학적 탈락 행동은 z ≈ 11의 라이만 브레이크 은하와 일치하는가, 아니면 낮은 적색편이 간섭자에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ3 렌즈 효과 보정 후 매크로스0647-지에이스의 본질적 빛의 세기, 크기, 별질량은 얼마인가?
• RQ4 렌즈 효과를 거친 고적색편이 은하의 수세기 수치는 낮은 적색편이에서의 빛의 세기 함수 외삽과 일치하는가?
• RQ5 매크로스0647-지에이스의 검출이 낮은 빛의 세기 은하들이 초기 우주의 재이온화를 이끌었을 가능성을 뒷받침할 수 있는가?

주요 결과

• 매크로스0647-지에이스는 95% 신뢰구간에서 z ≈ 10.7₊₀.₆⁻⁰.₄의 은하로 확인되었으며, z < 9.5인 알려진 유형의 은하들은 7.2-σ 수준에서 배제되었다.
• 은하의 세 개의 강한 렌즈 영상이 WFC3/IR F160W 필터에서 12σ 이상의 유의수준으로 검출되었으며, 증폭 인자는 약 8, 7, 2였다.
• 이 은하는 라이만 브레이크를 보이며, 1.4μm 이하의 모든 HST 필터에서 검출되지 않았고, 스피처/IRAC 3.6μm 및 4.5μm 대역에서는 유의미한 검출이 없었다.
• 본질적(렌즈 제거된) AB 등급은 약 28.2이며, 이는 빛의 세기 약 20 nJy(최고 밝기 영상에서 약 0.2 μJy)에 해당하여 z ≈ 11 기원과 일치한다.
• 해소된, 렌즈 제거된 반광반경은 ≤100 pc이며, 낮은 적색편이 외삽과 비교해 예상보다 작으며, 별질량은 약 10⁸–10⁹ M☉이었다.
• CLASH에서 z ≈ 10.8의 매크로스0647-지에이스와 z ≈ 9.6의 매크로스1149-지에이스의 검출은 낮은 적색편이에서의 빛의 세기 함수를 선형적으로 확장한 것과 일치하며, 낮은 빛의 세기 은하들이 재이온화에 기여했을 가능성을 시사한다.