[논문 리뷰] Planck's Dusty GEMS. III. A massive lensing galaxy with a bottom-heavy stellar initial mass function at z=1.5

R. Cañameras, N. P. H. Nesvadba외 9명|UA Campus Repository (The University of Arizona)|2017. 03. 08.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 42인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 중력 렌즈를 이용해 질량을 독립적으로 측정함으로써, z=1.5에서 발견된 질량이 큰 고적색 이동 우주 망원경에서 처음으로 하중우성 별 초기 질량 함수(IMF)의 직접적인 증거를 제시한다. ALMA와 VLT 데이터를 결합하여, 렌즈 성간의 질량(3.70±0.35×10¹¹ M☉)은 살페터 IMF와 일치하지만, 카브리에 IMF와는 일치하지 않으며, 이는 저질량 별의 부족함을 시사하고, 초기 거대 은하에서 난류 기체 분열 모델을 지지한다.

ABSTRACT

We study the properties of the foreground galaxy of the Ruby, the brightest gravitationally lensed high-redshift galaxy on the sub-millimeter sky as probed by the Planck satellite, and part of our sample of Planck's Dusty GEMS. The Ruby consists of an Einstein ring of 1.4" diameter at z = 3.005 observed with ALMA at 0.1" resolution, centered on a faint, red, massive lensing galaxy seen with HST/WFC3, which itself has an exceptionally high redshift, z = 1.525 $\pm$ 0.001, as confirmed with VLT/X-Shooter spectroscopy. Here we focus on the properties of the lens and the lensing model obtained with LENSTOOL. The rest-frame optical morphology of this system is strongly dominated by the lens, while the Ruby itself is highly obscured, and contributes less than 10% to the photometry out to the K band. The foreground galaxy has a lensing mass of (3.70 $\pm$ 0.35) $ imes$ 10$^{11}$ M$_{\odot}$. Magnification factors are between 7 and 38 for individual clumps forming two image families along the Einstein ring. We present a decomposition of the foreground and background sources in the WFC3 images, and stellar population synthesis modeling with a range of star-formation histories for Chabrier and Salpeter initial mass functions (IMFs). Only the stellar mass range obtained with the latter agrees well with the lensing mass. This is consistent with the bottom-heavy IMFs of massive high-redshift galaxies expected from detailed studies of the stellar masses and mass profiles of their low-redshift descendants, and from models of turbulent gas fragmentation. This may be the first direct constraint on the IMF in a lens at z = 1.5, which is not a cluster central galaxy.

연구 동기 및 목표

• 중력 렌즈 가정 없이도 별 질량을 측정할 수 있도록, z=1.5 고적색 이동 렌즈 성간의 별 질량을 중력 렌즈를 이용해 측정한다.
• 렌즈 질량과 별 집단 합성 모델을 비교하여, 다양한 초기 질량 함수(IMF) — 카브리에 대비 살페터 — 의 타당성을 시험한다.
• 클러스터에 있지 않은 거대 고적색 이동 은하에서 IMF를 제약함으로써, 초기 우주 시기에 IMF 형태에 대한 오랫동안 지속된 불확실성을 해결한다.
• 하중우성 IMF가 은하 진화 모델과 별 폭발 은하의 피드백 과정에 미치는 영향을 조사한다.

제안 방법

• LENSTOOL을 사용한 중력 렌즈 모델링을 통해 배경 원천(루비)의 에인슈타인 링 기하학과 다중 영상 위치를 이용해 렌즈 질량을 유도한다. (z=3.005)
• WFC3/F160W 및 F110W 필터의 광도를 기반으로 한 별 집단 합성 모델링을 통해 전경 렌즈 성간의 별 질량과 질량-광도 비율을 유도한다.
• WFC3 이미지의 스펙트럼 에너지 분포(SED) 분해를 통해 렌즈와 배경 원천 기여도를 분리하고, VLT/X-Shooter 분광학적 관측 결과로 제약을 가한다.
• 렌즈 질량과 카브리에 및 살페터 IMF로부터 유도된 별 질량 추정치를 비교하여 관측된 질량과 가장 잘 일치하는 IMF를 확인한다.
• ALMA CO(4→3) 선 데이터를 활용해 배경 원천의 적색 이동과 운동학을 확인함으로써 렌즈 모델을 지지한다.
• 특히 F160W 및 F110W 필터에서 WFC3 대역에서의 배경 원천에 의한 오염 정도를 평가하여, 정확한 렌즈 질량 유도를 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=1.5 성간의 렌즈 질량은 카브리에 IMF나 살페터 IMF로부터 유도된 별 질량 추정치와 일치하는가?
• RQ2 이 거대 고적색 이동 성간에서 독립적인 질량 측정을 바탕으로 하중우성 별 초기 질량 함수(IMF)의 형태는 어떠한가?
• RQ3 렌즈 질량은 SED 피팅으로 유도된 별 질량과 어떻게 비교되는가? 이는 IMF에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 관측된 렌즈 질량은 표준 카브리에 IMF로 설명될 수 있는가, 아니면 하중우성 IMF가 필요한가?
• RQ5 하중우성 IMF는 고적색 이동 별 폭발 은하의 은하 진화 모델과 피드백 과정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 전경 성간의 렌즈 질량은 (3.70±0.35)×10¹¹ M☉로 측정되었으며, 이는 에인슈타인 링 기하학과 다중 영상 위치로부터 도출되었다.
• 살페터 IMF(α = -2.35)로부터 유도된 별 질량은 렌즈 질량과 일치하지만, 카브리에 IMF는 약 2배 정도 낮게 예측한다.
• 렌즈 성간은 K 대역에서 총 광도의 10% 미만 기여를 하며, 루비는 WFC3 대역에서 15% 이하 기여를 하므로 질량 추정치에 대한 오염이 최소화되었다.
• ALMA에서 감지되지 않는 먼지 연속기여(>10⁹ M☉ 이상)는 냉각 기체 질량이 유의미하지 않음을 시사하며, 이는 별 질량이 렌즈 질량을 지배한다는 결론을 지지한다.
• 이 결과는 z=1.5에서 비클러스터 거대 고적색 이동 성간에서 하중우성 IMF에 대한 첫 직접 제약 조건을 제공하며, 살페터 유사 또는 더 급격한 IMF를 지지한다.
• 이러한 결과는 난류 기체 분열이 하중우성 IMF를 생성하는 모델을 지지하며, 고적색 이동 은하 질량 함수를 설명하기 위해 상향우성 IMF가 필요하다는 반정적 해석 모델을 도전한다.