[논문 리뷰] The ALMA Frontier Fields survey I: 1.1 mm continuum detections in Abell 2744, MACSJ0416.1-2403 and MACSJ1149.5+2223

Jorge González-López, F. E. Bauer외 22명|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|2016. 07. 13.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 64인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 깊은 submillimeter 이미징과 강한 중력 렌즈 효과를 활용하여, 세 개의 거대 은하단에서 1.1 mm 파장에서 12개의 먼지가 많은 별 형성은 은하(DSFGs)를 처음으로 탐지하였다. 이는 미약한 sub-mJy 대역의 은하를 탐색하기 위한 것이다. 결과적으로, 이 미약한 소스의 렌즈 보정된 크기는 더 밝은 DSFGs와 일치하지만 산란성이 더 크며, 이는 더 밝은 것들과 비교해 더 넓게 퍼져 있을 가능성이 상당히 높다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Dusty star-forming galaxies are among the most prodigious systems at high redshift (z>1), characterized by high star formation rates and huge dust reservoirs. The bright end of this population has been well characterized in recent years, but considerable uncertainties remain for fainter dusty star-forming galaxies, which are responsible for the bulk of star formation at high redshift and thus play a key role in galaxy growth and evolution. In this first paper of our series, we describe our methods for finding high redshift faint dusty galaxies using millimeter observations with ALMA. We obtained ALMA 1.1 mm mosaic images for three strong-lensing galaxy clusters from the Frontier Fields survey. The 2'x2' mosaics overlap with the deep HST WFC3/IR footprints and encompass the high magnification regions of each cluster. The combination of extremely high ALMA sensitivity and the magnification power of these clusters allows us to systematically probe the sub-mJy population of dusty star-forming galaxies over a large surveyed area. We present a description of the reduction and analysis of the ALMA continuum observations for the galaxy clusters Abell 2744 (z=0.308), MACSJ0416.1-2403 (z=0.396) and MACSJ1149.5+2223 (z=0.543), for which we reach observed rms sensitivities of 55, 59 and 71 $μ$Jy beam$^{-1}$ respectively. We detect 12 dusty star-forming galaxies at S/N>5.0 across the three clusters, all of them presenting coincidence with NIR detected counterparts in the HST images. None of the sources fall close to the lensing caustics, thus they are not strongly lensed. The observed 1.1 mm flux densities for the total sample of galaxies range from 0.41 to 2.82 mJy, with observed effective radii spanning <0.05" to 0.37"$\pm$0.21". The lensing-corrected sizes of the detected sources appear to be in the same range as those measured in brighter samples, albeit with possibly larger dispersion.

연구 동기 및 목표

• ALMA의 깊은 1.1 mm 연속 스펙트럼 관측을 통해 고적색편이에서의 미약한 sub-mJy 대역의 먼지가 많은 별 형성은 은하(DSFGs)를 체계적으로 탐색하기 위해.
• 세 개의 프론티어 필드 은하단(Abell 2744, MACSJ0416.1-2403, MACSJ1149.5+2223)의 강한 중력 렌즈 효과를 활용하여 감도를 향상시키고 더 미약한 소스를 탐지하기 위해.
• 렌즈 증폭을 보정한 후 고적색편이 DSFGs의 본질적 물리적 성질—특히 광도 밀도와 효율 반경—을 규명하기 위해.
• 서브밀리미터 대역과 근적외선 복사 간의 공간적 일치성을 평가하여 소스의 연관성과 천체측위 일致성 여부를 검증하기 위해.
• 더 밝고 잘 연구된 DSFGs와 비교하여, 미약한 DSFG 대역이 체적 구조적 차이(예: 크기 분포)를 보이는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 세 개의 강한 렌즈 효과를 보이는 은하단 중심 약 2′ × 2′ 영역에서 ALMA를 이용해 1.1 mm 연속 스펙트럼 모자이크 이미지를 확보하였다. 이는 깊은 HST WFC3/IR 데이터와 겹친다.
• Abell 2744, MACSJ0416.1-2403, MACSJ1149.5+2223에 대해 각각 관측된 루트 평균 제곱(RMS) 감도는 55, 59, 71 μJy beam⁻¹이었으며, 관측 조건과 그림자 효과로 인한 감도 변동이 있었다.
• 자연 가중 맵을 사용해 S/N ≥ 5.0인 12개의 소스를 식별하였으며, 이들 모두가 HST F160W 대응체를 가지고 있었다.
• uv-평면에서 2차원 가우시안 모델을 uvmcmcfit 코드를 사용해 피팅하여 각 탐지된 소스의 총 광도 밀도와 1.1 mm에서의 각도 크기를 추정하였다.
• 스펙트럼적 적색편이가 없는 소스에 대해 z = 2를 가정하고, CATS, Merten & Zitrin, Sharon, Williams, GLAFIC, Diego 팀의 렌즈 증폭 모델을 적용하여 본질적(감폭된) 광도 및 크기를 유도하였다.
• ALMA와 HST 위치 간의 천체측위 오차를 평가하였으며, 일반적으로 약 0.1′′의 산란성을 보였고, A2744에서는 경도 방향에 약 0.13′′의 오차가 있을 수 있음을 확인하여 일부 경우에 실제 공간적 오차가 존재할 수 있음을 시사하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렌즈 증폭을 보정한 후, 고적색편이에서 미약한 먼지가 많은 별 형성은 은하(sub-mJy 소스)의 본질적 크기 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 sub-mJy DSFGs의 물리적 성질(광도 밀도, 크기)은 더 밝고 이전에 잘 연구된 DSFGs와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 이 고적색편이 소스에서 서브밀리미터 복사와 근적외선 복사 간의 공간적 일치 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 개별 소스에서 서브밀리미터 복사의 최고점과 옵티컬 복사 간에 상당한 공간적 오차가 존재하는가? 이는 은폐된 별 형성에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 프론티어 필드 은하단의 고증폭 영역에서 ALMA 1.1 mm 관측의 감도와 다이나믹 레인지 능력은 어떠한가? 이는 어떻게 더 미약한 DSFGs를 탐지할 수 있게 하는가?

주요 결과

• 이 조사에서는 세 은하단에서 S/N ≥ 5.0인 12개의 먼지가 많은 별 형성은 은하가 1.1 mm에서 탐지되었으며, 모두 명확한 HST F160W 대응체를 가지고 있었다.
• 관측된 1.1 mm 광도 밀도는 0.411에서 2.816 mJy 사이였으며, 관측된 효율 반경은 약 0.′′05에서 0.′′37 ± 0.′′21 사이였다.
• 렌즈 증폭(μ ≈ 1.5–4.2)을 보정한 후, 탐지된 소스의 본질적(감폭된) 크기는 더 밝은 DSFGs와 일치하지만 산산이 더 크다는 것을 보여주었다.
• 약 2/3의 소스가 더 밝은 DSFGs의 평균 크기보다 최소 1.6배 이상 더 큰 감폭된 크기를 가지며, 더 넓게 퍼져 있는 미약한 소스의 집단이 존재할 가능성을 시사한다.
• ALMA와 HST 위치 간의 천체측위 오차는 평균적으로 작았으며(~0.1′′), 서브밀리미터 복사와 옵티컬 복사의 양호한 일치를 나타내었지만, A2744 영역에서는 경도 방향에 약 0.13′′의 오차가 관측되어 일부 경우에 실제 공간적 오차가 존재할 수 있음을 시사하였다.
• A2744-ID02는 서브밀리미터 복사 최고점과 근적외선 복사 최고점 사이에 약 0.′′5(소스 평면에서 약 4 kpc)의 상당한 공간적 오차를 보였으며, 이는 공간적으로 분해된 고도로 은폐된 별 형성의 가능성을 시사한다.