[논문 리뷰] ISO deep far-infrared survey in the "Lockman Hole" II. Power spectrum analysis: evidence of a strong evolution in number counts

Hideo Matsuhara, Kimiaki Kawara외 9명|arXiv (Cornell University)|2000. 06. 30.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 ISO/ISOPHOT 데이터를 사용하여 락먼홀 영역에서 90 및 170 μm에서의 적외선 밝기 변동성을 분석하며, 저주파수 영역에서의 파wer 스펙트럼이 평탄하고 은하간 먼지 방출과 일치하지 않음을 발견한다. 결과적으로, z < 1인 희미한 성간 형성 은하가 변동성을 주로 차지하며, 35 mJy(90 μm) 및 60 mJy(170 μm) 이하로의 은하 수의 밀도 변화가 뚜렷하게 나타나며, 이들 소스는 천체적 적외선 배경(이하 CIB)에 상당한 기여를 한다.

ABSTRACT

We investigate the characteristics of FIR brightness fluctuations at 90 micron and 170 micron in the Lockman Hole, which were surveyed with ISOPHOT aboard the Infrared Space Observatory(ISO). We first calculated the angular correlation function of each field and then its Fourier transform(the angular Power Spectral Density: PSD) over the spatial frequency range of f=0.05 - 1 arcmin^-1. The PSDs are found to be rather flat at low spatial frequencies (f &lt;= 0.1 arcmin^-1), slowly decreasing toward higher frequencies. These spectra are unlike the power-law ones seen in the IR cirrus fluctuations, and are well explained by randomly distributed point sources. Furthermore, point-to-point comparison between 90 micron and 170 micron brightness shows a linear correlation between them, and the slope of the linear fit is much shallower than that expected from the IR cirrus color, and is consistent with the color of galaxies at low or moderate redshift(z &lt; 1). We conclude that the brightness fluctuations in the Lockman Hole are not caused by the IR cirrus, but are most likely due to faint star-forming galaxies. We also give the constraints on the galaxy number counts down to 35 mJy at 90 micron and 60 mJy at 170 micron, which indicate the existence of a strong evolution down to these fluxes in the counts. The galaxies responsible for the fluctuations also significantly contribute to the cosmic infrared background radiation.

연구 동기 및 목표

• 자외선 투과도가 낮은 깊은 설문에 적합한 락먼홀 영역에서의 적외선 밝기 변동성의 기원을 규명하는 것.
• 은하간 먼지 방출에 의한 변동성과 해상도가 낮은 간성 외부 천체에 의한 변동성 간의 차이를 구분하는 것.
• 파워 스펙트럼 분석을 통해 90 μm에서 35 mJy, 170 μm에서 60 mJy 이하의 희미한 적외선 은하의 수치 밀도를 제약 조건화하는 것.
• 이러한 희미한 은하가 천체적 적외선 배경(CIB)에 기여하는 정도를 평가하는 것.
• 다중 파장 색상 분석을 통해 변동성 소스의 적외선 적색도 및 스펙트럼 에너지 분포(SED) 특성을 조사하는 것.

제안 방법

• 공간 주파수 f = 0.05–1 arcmin⁻¹ 범위에서 ISOPHOT 90 μm 및 170 μm 이미지의 파워 스펙트럼 밀도(PSD) 분석.
• 각도 상관 함수 계산 후 푸리에 변환을 통해 PSD를 도출하는 것.
• 관측된 PSD를 적외선 먼지 방출(지수 약 3인 등급 법칙) 및 무작위 분포된 점원천에 대한 이론 모델과 비교하는 것.
• 90 μm 및 170 μm 대역 간의 밝기 변동성 간의 상관관계 분석을 통해 소스의 SED 및 적색도를 추론하는 것.
• 밝은 천체 주변의 마스킹을 통해 희미하고 해상도가 낮은 은하에서 유래한 변동성의 영역을 분리하는 것.
• 변동성의 진폭에서 유래된 수치 밀도 제약 조건을 추정할 때, 변동성이 유일하게 이산 천체에서 기인한다고 가정하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 락먼홀 영역의 적외선 밝기 변동성은 주로 은하간 먼지 방출에 기인하는가, 아니면 해상도가 낮은 간성 외부 천체에 기인하는가?
• RQ2 파워 스펙트럼의 공간 주파수 의존성은 어떻게 되며, 먼지 방출에 기대되는 것과 어떻게 다를까?
• RQ3 35 mJy(90 μm) 및 60 mJy(170 μm) 수준 이하의 은하 수치 밀도 제약 조건은 무엇이며, 이는 소스의 진화에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 90 μm/170 μm 색상에서 유추된 바에 따르면, 변동성 소스의 적색도 분포는 어떻게 되는가?
• RQ5 희미하고 해상도가 낮은 은하들의 통합 빛은 천체적 적외선 배경(CIB)의 어느 정도를 차지하는가?

주요 결과

• 적외선 변동성의 파워 스펙트럼 밀도(PSD)는 저주파수 영역(f ≤ 0.1 arcmin⁻¹)에서 평탄하며 고주파수 영역으로 갈수록 서서히 감소하며, 적외선 먼지 방출에 예상되는 급격한 등급 법칙 스펙트럼과 일치하지 않는다.
• 관측된 PSD 형태는 무작위로 분포된 점원천에 의해 가장 잘 설명되며, 이는 변동성이 주로 해상도가 낮은 은하에 의해 결정되며, 확산된 먼지 방출에 의해 발생하지 않는다는 것을 시사한다.
• 90 μm 및 170 μm 간의 밝기 변동성 간에 강한 선형 상관관계가 존재하며, 이는 먼지 방출에 기대되는 것보다 훨씬 얕은 기울기를 보이며, z < 1의 낮은에서 중간 적색도를 가진 성간 형성 은하와 일치한다.
• 은하 수치 밀도는 90 μm에서 35 mJy, 170 μm에서 60 mJy 수준까지 제약 조건화되었으며, 이는 이 밝기 수준에서 적외선 은하의 밀도가 급격히 증가함을 보여주며 강한 진화를 시사한다.
• 이러한 희미한 은하들은 CIB의 5–40% 기여를 하며, 90 μm에서 0.09–0.30 MJy/sr, 170 μm에서 0.053–0.15 MJy/sr의 통합 CIB 밝기로, 임계 밝기 이하의 소스에 대해 기여한다.
• 결과적으로, 대부분의 CIB는 뚜렷한 해상도가 낮은 빛나는 은하에서 비롯되지 않고, 혼잡한 한계 이하의 희미하고 진화하는 성간 형성 은하의 집합 빛에서 유래된다는 것을 암시한다.