[논문 리뷰] GOODS-ALMA 2.0: Source catalog, number counts, and prevailing compact sizes in 1.1 mm galaxies

Carlos Gómez-Guijarro, D. Elbaz외 37명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 24.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 179인용 수 85

한 줄 요약

이 연구는 GOODS-South 영역 72.42 arcmin²에 대해 고해상도 및 저해상도 ALMA 데이터를 융합하여 균일한 감도(σ = 68.4 µJy beam⁻¹)를 확보한 깊이 있고 연속적인 1.1 mm 조사인 GOODS-ALMA 2.0을 제시한다. 이 조사에서는 88개의 은하를 검출하였으며, 먼지 연속 방출이 주로 극히 작고 빽빽한 구조(중심 반경의 중앙값 Re = 0″.10 ± 0″.05, 즉 0.73 ± 0.29 kpc)임을 밝혀내었고, 이는 하위-mJy 방출에서도 여전히 우세함을 보이며, 희미한 소스에서 확장된 방출에 대한 기존의 가정을 도전한다.

ABSTRACT

Submillimeter/millimeter observations of dusty star-forming galaxies with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) have shown that dust continuum emission generally occurs in compact regions smaller than the stellar distribution. However, it remains to be understood how systematic these findings are. Studies often lack homogeneity in the sample selection, target discontinuous areas with inhomogeneous sensitivities, and suffer from modest $uv$ coverage coming from single array configurations. GOODS-ALMA is a 1.1mm galaxy survey over a continuous area of 72.42arcmin$^2$ at a homogeneous sensitivity. In this version 2.0, we present a new low resolution dataset and its combination with the previous high resolution dataset from the survey, improving the $uv$ coverage and sensitivity reaching an average of $\sigma = 68.4\mu$Jy beam$^{-1}$. A total of 88 galaxies are detected in a blind search (compared to 35 in the high resolution dataset alone), 50% at $S/N_{peak} \geq 5$ and 50% at $3.5 \leq S/N_{peak} \leq 5$ aided by priors. Among them, 13 out of the 88 are optically dark or faint sources ($H$- or $K$-band dropouts). The sample dust continuum sizes at 1.1mm are generally compact, with a median effective radius of $R_{e} = 0"10 \pm 0"05$ (a physical size of $R_{e} = 0.73 \pm 0.29$kpc at the redshift of each source). Dust continuum sizes evolve with redshift and stellar mass resembling the trends of the stellar sizes measured at optical wavelengths, albeit a lower normalization compared to those of late-type galaxies. We conclude that for sources with flux densities $S_{1.1mm} > 1$mJy, compact dust continuum emission at 1.1mm prevails, and sizes as extended as typical star-forming stellar disks are rare. The $S_{1.1mm} < 1$mJy sources appear slightly more extended at 1.1mm, although they are still generally compact below the sizes of typical star-forming stellar disks.

연구 동기 및 목표

• 이중 어레이 구성 방식을 활용해 연속적이고 균일한 조사 영역을 제공함으로써 ALMA를 이용한 먼지가 풍부한 성간 형성 은하(DSFGs) 연구에서 발생하는 관측 편향을 보완하고자 한다.
• 고해상도 및 저해상도 데이터를 융합하여 uv 커버리지와 감도를 향상시킴으로써 먼지 연속 방출 크기 측정의 체계적 불확실성을 해소하고자 한다.
• 특히 1 mJy 이하의 방출 세기에서, 먼지가 풍부한 성간 형성 은하의 특성으로서 극히 작고 빽빽한 먼지 방출이 보편적인 성질인지 조사하고자 한다.
• 이전 조사에서 놓친 광학적으로 어두운 또는 희미한 소스(H- 또는 K-band 드롭아웃)를 식별하고 특성화하고자 한다.
• 신뢰할 수 있는 수치 밀도와 크기 분포를 유도하여, 먼지 방출이 극히 작고 빽빽한지 또는 확장된 형태인지 DSFGs에서의 퍼짐 여부를 시험하고자 한다.

제안 방법

• 1.1 mm에서 고해상도(콤팩트 어레이) 및 저해상도(확장 어레이) ALMA 데이터를 융합하여 72.42 arcmin² 연속 영역에서 망각적 소스 탐지 작업을 수행한다.
• 신호 대 잡음비 최대값(S/Npeak)이 3.5에서 5 사이인 희미한 소스를 효과적으로 복원하기 위해 사전 기반 소스 탐지 기법을 적용하여, 희미한 영역에서의 완전성 향상을 도모한다.
• 다중 척도 가우시안 분해 기법을 사용하여 병합된 데이터셋에서 먼지 연속 방출을 모델링함으로써 통합된 광도 및 크기 측정을 수행한다.
• 특히 하위-mJy 영역에서의 소스 완전성과 광도 신뢰도 평가를 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 활용한다.
• 고해상도 및 저해상도 데이터셋의 결과를 융합하여 미분 및 누적 수치 밀도를 유도하며, 감도 및 빔 효과에 대한 보정을 수행한다.
• 먼지 연속 방출의 효율 반경(Re)을 측정하고, 적색편이 및 항성 질량과의 변화 관계를 분석하여 광학적 항성 크기와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1.1 mm에서의 극히 작고 빽빽은 먼지 연속 방출은 다양한 방출 세기에서 먼지가 풍부한 성간 형성 은하의 체계적인 성질인가?
• RQ2 DSFGs의 먼지 연속 방출 크기 분포는 항성 성분의 크기와 어떻게 비교되며, 이는 적색편이 또는 항성 질량에 따라 달라지는가?
• RQ3 저해상도 데이터는 고해상도 전용 조사에서 놓친, 더 희미하고 가능성이 확장된 소스를 어느 정도 회복할 수 있는가?
• RQ4 ALMA로 검출된 소스 중 광학적으로 어두운 또는 희미한 소스(즉, H- 또는 K-band 드롭아웃)의 비율은 얼마이며, 이들의 먼지 크기는 더 밝은 소스와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 이 조사에서의 1.1 mm 소스 수치 밀도는 기존 문헌과 어떻게 비교되며, 이는 이전 조사의 완전성에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 블라인드 검색을 통해 총 88개의 은하가 검출되었으며, S/Npeak ≥5인 44개 소스는 순도 100%이며, 나머지 44개 소스는 S/Npeak가 3.5에서 5 사이인 사전 기반 방법으로 검출되었다.
• 검출된 소스 중 13개는 광학적으로 어두운 또는 희미한 소스(H- 또는 K-band 드롭아웃)였으며, 이 중 7개는 본 연구에서 새로 식별되었다.
• 1.1 mm에서 먼지 연속 방출의 중앙 반경 중앙값은 Re = 0″.10 ± 0″.05이며, 이는 물리적 크기로 약 0.73 ± 0.29 kpc에 해당하여 주로 극히 작고 빽빽은 방출임을 시사한다.
• 적색편이 및 항성 질량에 따라 먼지 연속 방출 크기의 변화는 광학적 항성 크기의 변화와 유사한 경향을 보이며, 다만 늦은 유형 은하보다 낮은 정규화 값을 갖는다.
• S₁.₁ₘₘ > 1 mJy인 소스에서는 극히 작고 빽빽은 먼지 방출이 일반적이며, 일반적인 성간 형성 항성 디스크 크기만큼 확장된 소스는 매우 드물다.
• S₁.₁ₘₘ < 1 mJy인 경우 평균적으로 약간 더 확장된 것으로 보이지만, 여전히 일반적으로는 작고 빽빽은 구조를 유지하며(일반적인 항성 디스크 크기 이하), 산란이 더 크고, 깊은 데이터로 확인이 필요한 확장된 방출의 징후가 암시된다.