[논문 리뷰] Galaxy populations in the most distant SPT-SZ clusters - I. Environmental quenching in massive clusters at $1.4\lesssim z\lesssim1.7$

V. Strazzullo, M. Pannella외 26명|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|2018. 07. 25.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 145인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 SPT-SZ 설문조사의 깊은 다중 파장 영상 자료를 활용하여 적색편이 1.4 ≲ z ≳ 1.7인 거대 은하군집에서 환경적 끄로기 현상을 조사한다. 정지성 분율과 별 형성률(SFR) 밀도 프로파일을 모델링함으로써, 군집 은하의 별 형성 기여가 SZE 신호 오염에 상당한 영향을 미친다는 것을 발견하였으며, 중심 영역의 정지성 분율이 10% 미만일 경우 잔여 별 형성 방출로 인해 SZE 검출 유의도가 최대 20% 증가한다.

ABSTRACT

We present first results from a galaxy population study in the highest redshift galaxy clusters identified in the 2500 deg$^2$ South Pole Telescope Sunyaev Zel'dovich effect (SPT-SZ) survey. The cluster selection is to first order independent of galaxy properties, making the SPT-SZ sample particularly well suited for cluster galaxy population studies. We carry out a 4-band imaging campaign with the {\it Hubble} and {\it Spitzer} Space Telescopes of the five $z\gtrsim 1.4$, S/N$_{SZE}>$5 clusters, that are among the rarest most massive clusters known at this redshift. All five show clear overdensities of red galaxies whose colors agree with the initial cluster redshift estimates. The highest redshift cluster in this sample, SPT-CLJ0459-4947 at $z\sim1.72$, is the most distant $M_{500}>10^{14}~M_{\odot}$ ICM-selected cluster discovered thus far, and is one of only three known clusters in this mass range at $z\gtrsim 1.7$, regardless of selection. Based on UVJ-like photometric classification of quiescent and star-forming galaxies, the passive fraction in the cluster central regions ($r/r_{500}<0.7$) is higher than in the field at the same redshift, with corresponding environmental quenching efficiencies typically in the range $\sim0.5-0.8$ for stellar masses $\log(M/M_{\odot})>10.85$. We have explored the impact of emission from star formation on the selection of this sample, concluding that all five clusters studied here would still have been detected with S/N$_{SZE}>$5, even if they had the same passive fraction as measured in the field. Our results thus point towards an efficient suppression of star formation in massive galaxies in the central regions of the most massive clusters, occurring already earlier than $z\sim1.5$. [Abridged]

연구 동기 및 목표

• 고적색편이 거대 군집에서 잔여 별 형성의 영향을 정량화하여 수자예-젤드로프 효과(SZE) 신호에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 1.4 ≲ z ≲ 1.7 범위의 군집에서 질량 완전성과 관측 편향을 고려한 정지성 분율과 SFR 밀도 프로파일의 반경 의존성을 모델링하는 것.
• 군집 중심부에서 정지성 분율을 과소평가할 경우 SPT-SZ 설문조사에서 SZE 신호의 검출 가능성과 유의도에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.
• 실증적 SED 템플릿과 95 및 150 GHz에서 재분석된 필터링된 지도를 사용하여 별 형성 은하에 의한 SZE 측정 오염을 평가하는 것.

제안 방법

• 관측된 은하 별질량 함수와 z ≈ 1.5에서의 별 형성률(SFR) 관계를 활용하여 질량 완전성 이상의 정지성 분율 반경 프로파일을 구축하였다.
• 정지성 분율 프로파일과 SFR–별질량 관계를 조합하여 SFR 투사 밀도 프로파일을 모델링하였으며, 별질량 함수나 SFR–질량 관계에 반경 의존성이 없다고 가정하였다.
• 중앙부 정지성 분율을 관측값에서 10%로 감소시켜 SZE 신호 오염을 시뮬레이션하고, 그로 인한 SFR 밀도 증가를 계산하였다.
• Béthermin 등(2015)과 Schreiber 등(2018)의 SED 템플릿을 사용하여 추가 SFR 기여에 대한 광도 밀도 지도를 생성하였다.
• 원래 SPT-SZ 군집 검출 파이프라인에서 사용된 필터링 절차를 동일하게 적용하여 수정된 SZE 지도를 재처리하여 SZE 피크의 신호 대 잡음비(S/N)를 계산하였다.
• 다양한 가정된 정지성 분율에 따른 S/N 값을 비교하여 별 형성이 군집 검출 가능성에 미치는 영향을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 잔여 별 형성이 고적색편이 거대 군집의 수자예-젤드로프 효과(SZE) 검출 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 군집 중심부에서 관측된 값보다 낮은 정지성 분율이 별 형성 은하에 의한 오염으로 인해 SZE 신호 대 잡음비(S/N)를 얼마나 증가시키는가?
• RQ3 95 및 150 GHz에서 은하군집 내 별 형성이 mm파 대역 SZE 신호에 어떤 정량적 기여를 하는가?
• RQ4 Béthermin 등(2015)과 Schreiber 등(2018)의 서로 다른 SED 템플릿이 별 형성에 의한 모의 SZE 오염에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 정지성 분율 모델링 방법(예: 질량 완전성 이하로의 외삽)의 선택이 예측된 SZE 검출의 S/N에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 중앙부 정지성 분율(r < 0.45r₅₀₀)을 관측값에서 10%로 감소시킬 경우, 추가적인 별 형성 방출로 인해 SZE 신호 대 잡음비(S/N)가 최대 약 20% 증가한다.
• 정지성 분율이 낮아질 경우, 특히 r < 0.45r₅₀₀ 내에서 SFR 밀도 프로파일이 뚜렷이 증가함을 모델링한 결과, 중심부에서의 별 형성 기여가 크게 증가한다.
• SZE 검출 유의도는 중심 영역의 정지성 분율에 가장 민감하며, 가장 큰 오염은 질량 완전성 한계 이상의 은하에서 기인한다.
• 다른 SED 템플릿(Béthermin 등 2015 vs. Schreiber 등 2018)을 사용할 경우 유사한 S/N 추세를 보였지만, 한 모델링 방법에서 더 높은 별 형성 은하 비율이 관측되어 더 큰 예측 S/N 증가를 유도하였다.
• 관측된 중심부 정지성 분율은 z ≈ 1.5에서의 필드 값보다 뚜렷이 높아 강한 환경적 끄로기 현상이 있음을 시사하지만, 잔여 별 형성은 여전히 SZE 측정에 영향을 미친다.
• 추가 SFR 밀도 프로파일(그림 16의 점선/점점선)은 측정 가능한 오염 성분을 나타내며, 정지성 분율을 10%로 낮출 경우 중심 영역에서 총 SFR 밀도의 10% 이상을 초과하는 기여를 한다.