[논문 리뷰] Multiply-imaged submm galaxy in a z~2.5 group

Jean‐Paul Kneib, P. van der Werf외 6명|arXiv (Cornell University)|2004. 03. 08.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 54

한 줄 요약

이 논문은 질량이 큰 은하단 A2218에 의해 렌즈 효과를 받는 다중 이미지화된, 마이크로파장에서 선택된 초광도 적외선 은하(ULIRG), SMM J16359+6612를 발견한다. 중력 렌즈 효과로 인해 소스의 빛이 약 45배 증폭되어, 렌즈 모델링과 분광학적 확인을 통해 정밀한 적색편이 측정(z = 2.516)이 가능해졌으며, 극도로 높은-dust 차폐와 약 500 M⊙ yr⁻¹의 높은 내재된 항성 형성률을 드러내어, 마이크로파장 배경을 형성하는 주요 성분임을 입증한다.

ABSTRACT

We present observations of a remarkable submillimetre-selected galaxy, SMMJ16359+6612. This distant galaxy lies behind the core of a massive cluster of galaxies, A2218, and is gravitationally lensed by the foreground cluster into three discrete images which were identified in deep submillimetre maps of the cluster core at both 450 and 850micron. Subsequent follow-up using deep optical and NIR images identify a faint counterpart to each of the 3 images, with similar red optical--NIR colours and HST morphologies. By exploiting a detailed mass model for the cluster lens we estimate that the combined images of this galaxy are magnified by a factor of ~45, implying that this galaxy would have un-lensed magnitudes K_s=22.9 and I=26.1, and an un-lensed 850micron flux density of only 0.8mJy. Moreover, the highly constrained lens model predicted the redshift of SMMJ16359+6612 to be z=2.6+/-0.4. We confirm this estimate using deep optical and NIR Keck spectroscopy, measuring a redshift of z=2.516. SMMJ16359+6612 is the faintest submm-selected galaxy so far identified with a precise redshift. Thanks to the large gravitational magnification of this source, we identify 3 sub-components in this submm galaxy, which are also seen in the NIRSPEC data, arguing for either a strong dust (lane) absorption or a merger. Interestingly, there are 2 other highly-amplified galaxies at almost identical redshifts in this field (although neither is a strong submm emitter). The 3 galaxies lie within a ~100kpc region on the background sky, suggesting this submm galaxy is located in a dense high-redshift group.

연구 동기 및 목표

• 빈 필드 설문 조사의 혼잡한 한계 이하의 흐린 마이크로파장 은하를 식별하고 특성화하기.
• 빛나는 온도/적외선 대비가 없는 조건에서 마이크로파장 은하의 적색편이를 측정하기.
• 강한 중력 렌즈 효과를 이용해 1mJy 이하의 마이크로파장 은하의 내재된 특성 연구하기.
• 높은 적색편이에서 먼지로 가려진 항성 폭발을 유도하는 조건이 밀집된 환경의 역할을 조사하기.
• 주요 마이크로파장 배경 인구의 대표적 구성원의 항성 형성률과 먼지 함량을 규명하기.

제안 방법

• JCMT의 SCUBA를 사용해 A2218 은하단 뒤의 다중 이미지화된 소스를 탐지하기 위해 깊은 마이크로파장 영상(450 및 850 μm)을 수행.
• 세 개의 마이크로파장 이미지에 대응하는 흐린 대조를 식별하기 위해 깊은 옵티컬 및 근적외선 영상(HST, WHT, Keck)을 통합.
• A2218의 매우 제약된 중력 렌즈 모델을 적용해 증폭 계수를 추정하고 소스의 적색편이를 예측.
• Keck 분광학(NIRSPEC)을 수행해 적색편이를 확인하고, 특히 Hα 및 Lyα 선을 분석.
• z ≈ 0.7에서 중간 적외선 방출이 높은 은하의 먼지 흡수 추정치와 조합 손실 보정을 통해 항성 형성률을 보정.
• 레이 트레이싱 기법을 사용해 영상 기하학과 렌즈 질량 모델을 기반으로 소스의 3차원 위치를 삼각측량.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빈 필드 설문 조사에서 탐지할 수 없는, 은하단에 의해 렌즈 효과를 받는 흐린 마이크로파장 은하의 내재된 적색편이와 물리적 특성은 무엇인가?
• RQ2 빛나는 옵티컬 대비가 없는 조건에서 중력 렌즈 기하학을 이용해 마이크로파장 은하의 적색편이를 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ3 1mJy 이하의 마이크로파장 은하의 내재된 항성 형성률과 먼지 함량은 주요 배경 인구의 대표적 특성과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 이 은하에서 관측된 항성 형성은 융합 또는 먼지로 가려진 폭발과 일치하는가? 더 높은 빛의 마이크로파장 은하와 비교해 보면 어떠한가?
• RQ5 동일한 적색편이에서 매우 증폭된 다수의 은하가 존재하는 것은 대규모 환경과 촉발 메커니즘에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?

주요 결과

• 마이크로파장 은하 SMM J16359+6612는 중력 렌즈 효과로 인해 세 개의 명확한 이미지로 분리되며, 총 증폭 비율이 약 45×로, 흐린 소스의 고신호 대 잡음 분석이 가능해졌다.
• 렌즈 모델에 의한 적색편이 예측은 z = 2.6 ± 0.4였고, Keck NIRSPEC를 통한 분광학적 확인 결과 z = 2.516로 확인되었다.
• 비렌즈된 850 μm 복사 밀도는 뿐만 아니라 일반적인 빈 필드 설문 조사의 혼잡한 한계 이하에 위치해 있으나, 강력한 적외선 복사체임을 입증한다.
• 적외선 복사 밀도에서 유도된 내재된 항성 형성률은 약 500 M⊙ yr⁻¹로 추정되며, 극도의 먼지 차폐로 인해 UV 기반 추정치(6 M⊙ yr⁻¹)보다 훨씬 높다.
• 먼지 흡수(A_Hα ≈ 2.1)와 조합 손실을 보정한 Hα 복사에서 유도된 항성 형성률은 약 110 M⊙ yr⁻¹로 추정되나, 여전히 FIR 기반 추정치보다 훨씬 낮아 대부분의 항성 형성이 먼지에 둘러싸여 있음을 확인한다.
• 이 시스템은 밀집된 고적색편이 군집 내에 위치해 있으며, 약 100 kpc 이내에 z ≈ 2.5에서 매우 증폭된 세 개의 은하가 존재함을 확인하여, 먼지로 가려진 항성 폭발의 환경적 촉발 메커니즘이 존재할 가능성을 시사한다.