[논문 리뷰] Detection of a Lensed z$\approx$11 Galaxy in the Rest-Optical with Spitzer/IRAC and the Inferred SFR, Stellar Mass, and Physical Size

Daniel Lam, R. J. Bouwens외 16명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 19.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 강한 렌즈 효과로 인해 렌즈된 z≈11 은하 MACS0647-JD의 깊은 Spitzer/IRAC 관측을 활용하여 항성 질량, 연령, 항성 형성률 및 물리적 크기와 같은 물리적 성질을 제약한다. 렌즈 효과의 증폭을 통해 관측 한계를 극복함으로써, 저자들은 log₁₀(M*/M☉) = 9.1⁺⁰.²₋₁.₄의 항성 질량, log₁₀(age/yr) = 8.6⁺⁰.¹₋₂.₁의 연령, 그리고 극도로 낮은 크기인 105±28 pc를 유추하였으며, 이는 시뮬레이션에서의 극단적인 초기 은하와 일치한다.

ABSTRACT

We take advantage of new 100-hour Spitzer/IRAC observations available for MACS0647-JD, a strongly lensed $z\approx11$ galaxy candidate, to provide improved constraints on its physical properties. Probing the physical properties of galaxies at $z>8$ is challenging due to the inherent faintness of such sources and the limited wavelength coverage available. Thanks to the high $\approx$2-6$ imes$ lensing magnification of the multiple images of MACS0647-JD, we can use the sensitive Spitzer/IRAC data to probe the rest-frame optical fluxes of MACS0647-JD and investigate its physical properties including the age and the stellar mass. In deriving Spitzer/IRAC fluxes for MACS0647-JD, great care is taken in coping with the impact of three bright ($\approx$8-16 mag) stars in our field to ensure robust results. Assuming a constant star formation rate, the age, stellar mass, and rest-frame UV slope we estimate for MACS0647-JD based on a stack of the photometry are log$_{10}$(age/yr) = 8.6$^{+0.1}_{-2.1}$, log$_{10}$(M$_{*}$/M$_{\odot}$) = 9.1$^{+0.2}_{-1.4}$, and $β= -$1.3$\pm$0.6, respectively. We compare our results with expectations from the EAGLE simulation and find that MACS0647-JD has properties consistent with corresponding to the most massive and rapidly star-forming galaxies in the simulation. We also find that its radius, 105$\pm$28 pc, is a factor of $\approx$2 smaller than the mean size in a separate simulation project DRAGONS. Interestingly enough, the observed size is similar to the small sizes seen in very low-luminosity $z\approx$6-10 galaxies behind lensing clusters.

연구 동기 및 목표

• 휴버블의 감도를 초월해 적색 이동된 휴대형 옵티컬 방출이 관측 가능한 영역을 벗어나는 z≈11 고적성 은하의 물리적 성질에 대한 제약을 향상시키기 위해.
• 소스의 어두움과 파장 범위 제한으로 인한 관측 도전 과제를 극복하기 위해 강한 중력 렌즈 증폭을 활용하기 위해.
• Spitzer/IRAC를 사용하여 MACS0647-JD의 휴대형 옵티컬 플럭스를 측정하고, 연령, 질량, 항성 형성률과 같은 항성 집단 파rameters를 유도하기 위해.
• 우주론적 시뮬레이션(EAGLE 및 DRAGONS)의 예측과 비교하여 유도된 물리적 성질이 이론 모델과 얼마나 일치하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• MACS0647-0647 클러스터에 의해 렌즈된 z≈11 은하인 MACS0647-JD를 대상으로 100시간의 Spitzer/IRAC 관측을 수행하였으며, 증폭 인자는 약 2–6이었다.
• 근접한 밝은 항성으로부터의 오염을 제거하기 위해 신중한 광도 추출을 수행하여, 세 개의 다중 영상 전반에 걸쳐 신뢰할 수 있는 플럭스 측정을 확보하였다.
• 다양한 영상의 광도를 융합하여 스택된 SED를 생성함으로써, 항성 집단 합성 모델의 적합을 통해 연령, 항성 질량, UV 기울기를 신뢰성 있게 추정할 수 있도록 하였다.
• 일정한 항성 형성률 가정을 기반으로 항성 집단 합성 모델링을 적용하여 SED에서 물리적 파rameter를 유도하였다.
• 유도된 항성 질량과 크기를 EAGLE 및 DRAGONS 우주론적 시뮬레이션의 예측과 비교하여 일치성을 평가하였다.
• 고해상도 이미징과 렌즈 모델을 고려하여 증폭 및 탈분해 효과를 반영한 물리적 반경반경을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 휴버블의 감도를 초월해 적색 이동된 항성 연속 스펙트럼이 관측 불가능한 z≈11 은하의 휴대형 옵티컬 성질은 무엇인가?
• RQ2 MACS0647-JD의 항성 질량, 연령, 항성 형성률은 EAGLE와 같은 우주론적 시뮬레이션의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 MACS0647-JD의 물리적 크기는 무엇이며, 유사한 적성도에서의 시뮬레이션된 은하들과 비교해 보면 어떠한가?
• RQ4 관측된 MACS0647-JD의 압축된 크기는 현재의 초기 은하 형성 모델에 도전하는가, 아니면 이를 지지하는가?
• RQ5 렌즈 증폭은 얼마나 희박하고 고적성 은하의 소스를 탐지하고 특성화하는 데 기여하는가?

주요 결과

• MACS0647-JD의 항성 질량은 log₁₀(M*/M☉) = 9.1⁺⁰.²₋₁.₄로 추정되어 상대적으로 질량이 큰 초기 은하임을 시사한다.
• 유도된 연령은 log₁₀(age/yr) = 8.6⁺⁰.¹₋₂.₁로, 빅뱅 이후 약 4억 년 이내에 형성된 은하를 의미한다.
• 휴대형 UV 기울기는 β = -1.3 ± 0.6로 측정되어 상대적으로 파란 연속 스펙트럼과 낮은-dust 흡수를 나타낸다.
• MACS0647-JD의 물리적 반경반경은 105 ± 28 pc이며, 이는 DRAGONS 시뮬레이션에서의 일반적인 z≈11 은하보다 약 두 배 정도 작다.
• 관측된 크기는 렌즈 클러스터 뒤의 저광도 z≈6–10 은하에서 관측된 작은 크기와 일치하며, 공통된 형성 메커니즘이 존재할 가능성을 시사한다.
• 유도된 물리적 성질은 MACS0647-JD가 EAGLE 시뮬레이션에서 가장 질량이 크고 빠르게 항성 형성을 하는 은하 중 하나임을 보여주며, 고적성 은하 진화 모델과의 일치성을 지지한다.