[논문 리뷰] MUSE integral-field spectroscopy towards the Frontier Fields cluster Abell S1063: II. Properties of low luminosity Lyman alpha emitters at z>3

W. Karman, K. I. Caputi외 12명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 05.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 155인용 수 39

한 줄 요약

이 연구는 Abell S1063 Frontier Fields 클러스터에서 MUSE 적층장치 스펙트로스코피를 중력 렌즈 효과와 결합하여 z > 3에서 14개의 본질적으로 흐린 라이만-알파 에미터(LAEs)를 식별하고 특성화한다. 이 은하들은 매우 낮은 항성 질량(10⁶–10⁸ M⊙), 매우 어린 연령(1–100 Myr), 높은 특별별 항성 형성률(~100 Gyr⁻¹), 그리고 낮은-dust 함량을 보이며, 이는 우주 재이온화를 이끌었을 가능성이 있는 은하의 주요 유사체이다.

ABSTRACT

In spite of their conjectured importance for the Epoch of Reionization, the properties of low-mass galaxies are currently still under large debate. In this article, we study the stellar and gaseous properties of faint, low-mass galaxies at z>3. We observed the Frontier Fields cluster Abell S1063 with MUSE over a 2 arcmin^2 field, and combined integral-field spectroscopy with gravitational lensing to perform a blind search for intrinsically faint Lya emitters (LAEs). We determined in total the redshift of 172 galaxies of which 14 are lensed LAEs at z=3-6.1. We increased the number of spectroscopically-confirmed multiple-image families from 6 to 17 and updated our gravitational-lensing model accordingly. The lensing-corrected Lya luminosities are with L(Lya) <= 10^41.5 erg/s among the lowest for spectroscopically confirmed LAEs at any redshift. We used expanding gaseous shell models to fit the Lya line profile, and find low column densities and expansion velocities. This is to our knowledge the first time that gaseous properties of such faint galaxies at z>=3 are reported. We performed SED modelling to broadband photometry from the U-band through the infrared to determine the stellar properties of these LAEs. The stellar masses are very low (10^{6-8} Msun), and are accompanied by very young ages of 1-100 Myr. The very high specific star formation rates (~100 Gyr^-1) are characteristic of starburst galaxies. The UV-continuum slopes beta are low in our sample, with beta<-2 for all galaxies with M_star<10^8 Msun. We conclude that our low-mass galaxies at 3<z<6 are forming stars at higher rates when correcting for stellar mass effects than seen locally or in more massive galaxies. The young stellar populations with high star-formation rates and low HI column densities lead to continuum slopes and LyC-escape fractions expected for a scenario where low mass galaxies reionise the Universe.

연구 동기 및 목표

• 깊고 렌즈 효과가 있는 영역에서 z > 3인 저광도 라이만-알파 에미터(LAEs)를 식별하고 스펙트로스코픽으로 확인하는 것.
• SED 모델링과 라이만-알파 선형형 fitting을 통해 이러한 흐린 저질량 은하의 항성 및 기체 성질을 측정하는 것.
• 은하의 항성 형성 및 탈출율 성질을 분석함으로써 저질량 은하가 재이온화 시대에 미친 영향을 평가하는 것.
• 17개의 다중영상 가족(중 11개는 이전에 확인되지 않은 것들)을 식별함으로써 중력 렌즈 모델을 개선하는 것.
• 이 흐린 LAEs가 라이만 연속성 광자 탈출에 유리한 조건을 보이는지 확인하는 것—이는 재이온화에 필수적인 조건이다.

제안 방법

• Abell S1063 클러스터 중심을 향한 2 arcmin² 영역에서 깊은 MUSE 적층장치 스펙트로스코피를 수행하여 강한 중력 렌즈 효과를 활용해 흐린 고적색도 은하의 신호를 증폭시켰다.
• 라이만-알파 방출선을 위한 빈도 기반의 스펙트로스코픽 탐색을 수행하여, 스펙트로스코픽 확인을 얻은 14개의 렌즈된 LAEs를 식별하였으며, 적색편이 3 < z < 6.1 사이에 위치해 있다.
• 17개의 다중영상 가족(11개는 신규 확인)을 사용하여 중력 렌즈 모델을 업데이트하여, 라이만-알파 광도에 대한 정확한 렌즈 증폭 보정을 가능하게 하였다.
• 기체 운동학을 추론하기 위해, 구형으로 팽창하는 기체 쉘 모델을 사용하여 라이만-알파 선형형을 피팅하였다. 이는 기체 운동학, 기체 밀도, 팽창 속도를 추정하는 데 기여하였다.
• U-대역에서 IRAC(Spitzer)까지의 밴드광도를 HST/CLASH 및 HAWK-I 데이터와 융합하여, 항성 집단 성질을 추정하기 위해 SED 피팅을 수행하였다.
• 스펙트럼 에너지 분포(SED) 모델링을 통해 항성 질량, 연령, UV 기울기(β), E(B-V)를 유도하였으며, 이는 CIGALE 등의 항성 집단 합성 모델을 사용하였다. 이 과정에 중성가스 연속체 포함 감도 테스트도 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렌즈 보정된 스펙트로스코피를 통해 드러난 z > 3에서 흐린 저질량 라이만-알파 에미터의 본질적 항성 및 기체 성질은 무엇인가요?
• RQ2 이 흐린 LAEs의 라이만-알파 선형형은 더 높은 광도 또는 질량을 가진 은하들과 비교해 어떻게 다를까요? 이는 기체 운동학과 커버링 요인에 대해 무엇을 드러내나요?
• RQ3 이 저질량 LAEs가 재이온화에 필수적인 이온화 광자 탈출에 유리한 조건(예: 낮은-dust, 높은 SFR, 파란 UV 기울기)을 얼마나 잘 만족하고 있나요?
• RQ4 이 흐린 시스템에서 라이만-알파 선의 팽창 속도와 항성 형성률 또는 항성 질량 간의 상관관계는 어떠한가요?
• RQ5 관측된 성질을 바탕으로 이 흐린 LAEs가 재이온화를 주도하는 주요 인구에 해당하는지 여쭤보는 것입니다.

주요 결과

• 렌즈 보정된 라이만-알파 광도는 14개의 LAEs가 z > 3에서 관측된 바에서 가장 흐린 편에 속하며, LLyα ≲ 10⁴¹.⁵ erg/s에 해당한다.
• 라이만-알파 선형형은 낮은 기체 밀도(N_HI ≲ 10²⁰ cm⁻²)와 낮거나 중간 수준의 팽창 속도(v_exp ≲ 100 km/s)를 가진 기체 쉘 모델에 가장 잘 맞으며, 이는 낮은 대비 또는 조각진 외출을 시사한다.
• 항성 질량은 매우 낮은 수준으로 10⁶에서 10⁸ M⊙ 사이이며, 연령은 단지 1–100 Myr로 매우 최근의 항성 형성 사건을 시사한다.
• 특별별 항성 형성률(sSFR)은 매우 높아 (~100 Gyr⁻¹) 대부분의 은하가 ≤20 Myr 내에 항성 질량을 두 배로 증가시킬 것으로 예상된다.
• 모든 M⋆ < 10⁸ M⊙인 은하에서 UV 연속체 기울기 β < −2를 보이며, 관측된 바에서 가장 파란 편에 속하며, 젊고 금속 농도가 낮은 집단의 이론적 한계에 가까운 수준이다.
• 낮은-dust, 높은 sSFR, 파란 β, 좁은 라이만-알파 선형형의 조합은 이러한 은하들이 라이만 연속성 광자 탈출에 이상적인 후보자임을 시사하며, 이는 이들이 우주 재이온화에 기여했을 가능성을 뒷받침한다.