[논문 리뷰] Extensive Lensing Survey of Optical and Near-Infrared Dark Objects (El Sonido): HST H-Faint Galaxies behind 101 Lensing Clusters

Fengwu Sun, Eiichi Egami외 23명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 159인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 스피itzer/IRAC 및 허블 우주망원경 데이터를 사용하여 101개의 강한 렌즈링 클러스터 뒤에 있는 53개의 H-어두운 (H160 ≳26.4 AB mag) 은하를 식별한 광범위한 렌즈링 조사(El Sonido)를 제시한다. 주요 결과는 이러한 H-어두운 은하가 z ≈ 3.9에서 질량이 크고-dusty이며, 항성 형성 활동이 활발한 시스템이며, 크기가 작다 (Re,circ ≈ 1.9 kpc)는 것으로, 고적색편이 질량 은하 인구의 먼지로 뒤덮인 꼬리에 해당하며, z ∼ 3–5에서의 우주적 항성 형성률 밀도에 상당한 기여를 한다.

ABSTRACT

We present a Spitzer/IRAC survey of H-faint ($H_{160} \gtrsim 26.4$, $<5\sigma$) sources in 101 lensing cluster fields. Across a CANDELS/Wide-like survey area of $\sim$648 arcmin$^2$ (effectively $\sim$221 arcmin$^2$ in the source plane), we have securely discovered 53 sources in the IRAC Channel-2 band (CH2, 4.5 $\mathrm{\mu m}$; median CH2$=22.46\pm0.11$ AB mag) that lack robust HST/WFC3-IR F160W counterparts. The most remarkable source in our sample, namely ES-009 in the field of Abell 2813, is the brightest H-faint galaxy at 4.5 $\mathrm{\mu m}$ known so far ($\mathrm{CH2}=20.48\pm0.03$ AB mag). We show that the H-faint sources in our sample are massive (median $M_\mathrm{star} = 10^{10.3\pm 0.3}$ $M_\odot$), star-forming (median star formation rate $=100_{-40}^{+60}$ $M_\odot$yr$^{-1}$) and dust-obscured ($A_V=2.6\pm0.3$) galaxies around a median photometric redshift of $z=3.9\pm0.4$. The stellar continua of 14 H-faint galaxies can be resolved in the CH2 band, suggesting a median circularized effective radius ($R_\mathrm{e,circ}$; lensing corrected) of $1.9\pm0.2$ kpc and $<1.5$ kpc for the resolved and whole samples, respectively. This is consistent with the sizes of massive unobscured galaxies at $z\sim4$, indicating that H-faint galaxies represent the dusty tail of the distribution of a wider galaxy population. Comparing with the ALMA dust continuum sizes of similar galaxies reported previously, we conclude that the heavy dust obscuration in H-faint galaxies is related to the compactness of both stellar and dust continua ($R_\mathrm{e,circ}\sim 1$ kpc). These H-faint galaxies make up $16_{-7}^{+13}$% of the galaxies in the stellar mass range of $10^{10}-10^{11.2}$ $M_\odot$ at $z=3\sim5$, contributing to $8_{-4}^{+8}$% of the cosmic star formation rate density in this epoch and likely tracing the early phase of massive galaxy formation.

연구 동기 및 목표

• . 이 연구는 광학 조사에서 감지되지 않는, 먼지에 의해 심하게 은폐되어 있는 극히 어두운 근적외선 어두운 은하를 식별하고 특성화하는 것을 목적으로 한다.
• 이 연구는 이러한 H-어두운 은하의 물리적 성질, 즉 항성 질량, 항성 형성률, 먼지 함량 및 크기 등을 이해하는 데 목적이 있다.
• 이 연구는 먼지 은폐와 밀집된 구조가 고적색편이 은하의 관측된 성질을 어떻게 형성하는지 조사한다.
• 이 연구는 이러한 H-어두운 은하가 z ≈ 3–5에서의 총 우주적 항성 형성률 밀도에 기여하는 정도를 정량화한다.

제안 방법

• . 이 조사는 HST/WFC3-IR F160W(H160 ≳26.4 AB mag)에서 매우 어두운 소스를 감지하기 위해 깊은 Spitzer/IRAC 4.5 µm(CH2) 대역 관측을 사용하여, 광학/근적외선 대응체가 없는 H-어두운 은하를 식별한다.
• 101개의 질량이 큰 은하 클러스터에서 발생하는 강한 중력 렌즈링 효과로 배경 소스가 확대되어, 그렇지 않으면 감지되지 않을 정도로 매우 어두운 은하를 탐지할 수 있다.
• SED 피팅을 통해 적색편이, 항성 집단 합성 모델링을 적용하여 적색편이, 항성 질량, 항성 형성률 및 먼지 감쇠(AV)를 추정한다.
• GALFIT를 사용하여 IRAC CH2 대역 이미지에서 항성 및 먼지 연속 스펙트럼의 크기를 측정하고, 렌즈링 확대율을 보정하여 진정한 효과적 반경(Re,circ)을 유도한다.
• 이 연구는 H-어두운 은하의 크기를 ALMA로 감지된 밀리미터파 은하들과 비교하여 구조적 유사성과 물리적 연관성을 평가한다.
• 통계 분석을 통해 z ≈ 3–5에서 질량이 큰 은하(10^10–10^11.2 M⊙)의 비율과 그들이 우주적 항성 형성률 밀도에 기여하는 정도를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . HST F160W에서는 감지되지 않지만 Spitzer/IRAC CH2에서 감지되는 H-어두운 은하의 본질적인 물리적 성질은 무엇인가?
• RQ2 . H-어두운 은하의 항성 질량, 항성 형성률, 먼지 감쇠 및 크기는 비은폐된 고적색편이 은하와 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ3 . H-어두운 은하가 z ≈ 4에서 질량이 큰 은하 형성의 먼지로 뒤덮인 밀집된 단계를 어느 정도 대변하는가?
• RQ4 . H-어두운 은하가 z ≈ 3–5에서의 총 우주적 항성 형성률 밀도에 기여하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 . H-어두운 은하의 밀집된 크기는 그들의 높은 먼지 은폐도와 높은 항성 형성률과 관련이 있는가?

주요 결과

• . 샘플 내 H-어두운 은하들은 질량이 크며, 중앙 항성 질량은 10^10.3±0.3 M⊙이다.
• . 이들은 활발한 항성 형성 활동을 보이며, 중앙 항성 형성률은 100+60−40 M⊙ yr−1이다.
• . 이 은하는 높은 먼지 은폐도를 보이며, 중앙 AV는 2.6±0.3으로, 휴식계의 자외선-광학 영역 빛의 심한 감쇠를 나타낸다.
• . 14개의 해상도가 확보된 H-어두운 은하의 중앙 원형화된 효과적 반경(Re,circ)은 1.9 ± 0.2 kpc이며, 전체 샘플은 < 1.5 kpc 이내로, 밀집된 구조를 나타낸다.
• . 이러한 H-어두운 은하는 z ≈ 3–5에서 10^10–10^11.2 M⊙의 항성 질량 범위에 속하는 은하의 16+13−7%를 차지한다.
• . 이들은 z ≈ 3–5에서 우주적 항성 형성률 밀도의 8+8−4% 기여하며, 초기 질량이 큰 은하의 구성에 상당한 역할을 한다는 것을 시사한다.