[논문 리뷰] HST Frontier Fields ("FRONTIER")

Jennifer M. Lotz|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 01.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 7

한 줄 요약

프론티어 필드 프로그램은 허블 우주 망원경과 스피itzer 우주 망원경의 관측을, 여섯 개인 거대 은하단의 강한 중력 렌즈 효과와 결합하여 우주의 먼 곳을 향한 가장 깊은 적외선 및 가시광선 이미지를 확보한다. 천체의 자연스러운 중력 망원경을 활용함으로써, 이 조사에서는 적색편이 z > 6인 천체를 대상으로 30–33 AB 등급까지 매우 어두운 천체의 본질적 등급을 탐색할 수 있으며, 이는 초기 은하 형성과 암흑 물질 분포에 대한 사전에 없던 연구를 가능하게 한다.

ABSTRACT

International audience

연구 동기 및 목표

• 제임스 웹 우주 망원경의 발사 이전에, 초기 우주에서 가장 어두운 은하를 탐지하는 관측의 한계를 넘어서기 위해 노력한다.
• 거대 은하단의 강한 중력 렌즈 효과를 활용하여 배경 은하를 증폭하고 확대함으로써, 빈 천공 필드에서 얻을 수 있는 것보다 더 깊은 관측을 가능하게 한다.
• 재결합 시기(6 < z < 10) 동안 고적색편이 은하의 통계적으로 신뢰할 수 있는 데이터셋을 확보하여, 빛의 분포 함수의 어두운 끝 부분을 제약한다.
• 더 넓은 천문학 공동체가 이용할 수 있도록 공개되고 비권리적인 렌즈 모델과 깊은 다중 파장 영상 자료를 제공한다.
• 지상 기반 및 공공 기반 시설을 활용한 다중 파장 후속 연구를 가능하게 하기 위해, 은하단 및 병렬 필드에서 깊고 동적 범위가 넓은 자료를 제공한다.

제안 방법

• 높은 렌즈 강도, 낮은 은하계 외부 흡수, 지상 기반 후속 관측에 적합한 조건을 기준으로 여섯 개의 거대 은하단(Abell 2744, MACSJ0416, MACSJ0717, MACSJ1149, Abell S1063, Abell 370)을 선정하였다.
• 허블 우주 망원경의 ACS/WFC 및 WFC3/IR 카메라를 사용하여, HST 사이클 22, 23, 24 동안 총 840 궤도에 걸쳐 은하단 및 병렬 빈 필드에서 깊은 관측을 수행하였다.
• 5σ 점원소스 깊이가 각각 ∼26.5 및 26.0 AB 등급에 도달하기 위해 스피처 우주 망원경의 IRAC 3.6 및 4.5 미크론 관측을 1000시간 이상 확보하였다.
• 병렬 필드에서 일곱 개인 가시광선 및 적외선 파장대에서 5σ 점원소스 깊이가 ∼29 AB 등급에 도달하여, 현재까지 두 번째로 깊은 HST 관측이 되었다.
• 공동된 렌즈 모델링 노력(예: GLAFIC, CATS, Merten & Zitrin, Diego 그룹 등)을 통해 공개되고 비권리적인 질량 및 확대도 맵을 제작하였다.
• HST와 스피처 데이터를 융합하여 고적색편이 은하의 광학적 적색편이, 항성 집단 모델링, 형상 분석을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력 렌즈 증폭을 통해 초기 우주(z > 6)에서 탐지 가능한 가장 어두운 천체의 본질적 등급은 얼마인가?
• RQ2 거대 은하단의 강한 렌즈 효과를 어떻게 활용하여 빈 하늘 필드보다 더 깊은 관측을 달성할 수 있는가?
• RQ3 프론티어 필드 데이터는 재결합 시기 동안 은하 빛의 분포 함수의 어두운 끝 부분에 대해 어떤 제약을 둔다?
• RQ4 강한 및 약한 렌즈 모델을 사용하여 거대 은하단 내의 암흑 물질 분포를 얼마나 정확하게 매핑할 수 있는가?
• RQ5 렌즈된 영역의 매우 확대된 영역에서 어떤 일시적 현상(예: 초신성)을 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 프론티어 필드의 병렬 필드는 일곱 개인 가시광선 및 적외선 파장대에서 5σ 점원소스 깊이가 ∼29 AB 등급에 도달하여, 현재까지 두 번째로 깊은 HST 관측이 되었다.
• 은하단 렌즈 뒤의 은하들은 주요 곡선 영역에서 10–100배 정도 확대되어, 본질적으로 30–33 AB 등급까지 매우 어두운 천체를 탐색할 수 있게 되었다.
• 이 조사에서는 재결합 시기(6 < z < 10) 동안 기존에 관측된 바가 없는 이전보다 더 어두운 은하들을 탐지하였으며, 그들의 본질적 빛의 세기는 M_UV ≈ -15 mag 이하에 이르렀다.
• 공개된 렌즈 모델과 자료는 마이쿨스키 우주 망원경 자료 아카이브(MAST)와 나사/아파이아 적외선 과학 아카이브를 통해 배포되었다.
• 70편 이상의 심사 통과 논문과 여러 회의에서 프론티어 필드 자료를 기반으로 한 연구가 이루어졌으며, 고적색편이 은하, 암흑 물질 맵, 일시적 현상 등을 다루었다.
• 전체 데이터셋은 로버트슨 등(2015)에서 보여준 것처럼, z > 6에서 은하 빛의 분포 함수의 어두운 기울기 성분에 강력한 통계적 제약을 둔다.