[논문 리뷰] The ALMA Frontier Fields Survey - IV. Lensing-corrected 1.1 mm number counts in Abell 2744, MACSJ0416.1-2403 and MACSJ1149.5+2223

A. Muñoz-Arancibia, Jorge González-López외 16명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 ALMA 프론티어 필드 은하단 세 곳—Abell 2744, MACSJ0416.1-2403, MACSJ1149.5+2223—에서 렌즈 효과 보정된 1.1 mm 수치 수를 제시한다. 다중 모델 기반 렌즈 효과 시뮬레이션을 통해 약 2.5 μJy까지의 진정한 복사세기 밀도를 유도하였으며, 0.1 mJy 이하에서 수치 수의 평탄화가 관측되어 sub-mJy 인구의 어두운 끝에서 전환점이 존재할 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

[abridged] Characterizing the number counts of faint, dusty star-forming galaxies is currently a challenge even for deep, high-resolution observations in the FIR-to-mm regime. They are predicted to account for approximately half of the total extragalactic background light at those wavelengths. Searching for dusty star-forming galaxies behind massive galaxy clusters benefits from strong lensing, enhancing their measured emission while increasing spatial resolution. Derived number counts depend, however, on mass reconstruction models that properly constrain these clusters. We estimate the 1.1 mm number counts along the line of sight of three galaxy clusters, i.e. Abell 2744, MACSJ0416.1-2403 and MACSJ1149.5+2223, which are part of the ALMA Frontier Fields Survey. We perform detailed simulations to correct these counts for lensing effects. We use several publicly available lensing models for the galaxy clusters to derive the intrinsic flux densities of our sources. We perform Monte Carlo simulations of the number counts for a detailed treatment of the uncertainties in the magnifications and adopted source redshifts. We find an overall agreement among the number counts derived for the different lens models, despite their systematic variations regarding source magnifications and effective areas. Our number counts span ~2.5 dex in demagnified flux density, from several mJy down to tens of uJy. Our number counts are consistent with recent estimates from deep ALMA observations at a 3$σ$ level. Below $\approx$ 0.1 mJy, however, our cumulative counts are lower by $\approx$ 1 dex, suggesting a flattening in the number counts. In our deepest ALMA mosaic, we estimate number counts for intrinsic flux densities $\approx$ 4 times fainter than the rms level. This highlights the potential of probing the sub-10 uJy population in larger samples of galaxy cluster fields with deeper ALMA observations.

연구 동기 및 목표

• 깊은 ALMA 관측을 통해 세 개의 거대 은하단에서-dusty star-forming galaxies의 1.1 mm 수치 수를 추정하기 위해.
• 다양한 독립적인 렌즈 모델을 사용하여 관측된 수치 수를 중력 렌즈 확대 효과로 보정하여 진정한 소스 복사세기 밀도를 도출하기 위해.
• 밀리미터 파장에서의 간성배경광의 sub-mJy 인구의 어두운 끝을 탐색하기 위해.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 렌즈 모델 및 소스 적색편이에 대한 불확실성에 따른 수치 수의 신뢰성 평가를 위해.
• 관측된 수치 수가 0.1 mJy 이하에서 전환점 또는 평탄화 현상을 보이는지 여부를 판단하기 위해.

제안 방법

• 신호대잡음비(S/N) ≥ 4.5인 ALMA 1.1 mm 연속분광 관측에서 소스 카탈로그를 구축하였으며, S/N ≥ 5의 검출 및 4.5 ≤ S/N < 5의 경계 검출도 포함하였다.
• 공개된 다수의 렌즈 모델(CATS v4, Merten & Zitrin, Sharon, Williams 등)을 적용하여 확대율을 추정하고 관측된 복사세기를 복원하였다.
• 렌즈 효과에 의한 확대율 및 소스 적색편이의 불확실성을 수치 수 추정에 전파하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 시뮬레이션 기반의 분리 및 탐지 효율 모델링을 통해 완전성 및 위성 소스 비율을 보정하였다.
• 세 은하단의 데이터를 통합하여 총 관측 면적 약 14 arcmin²를 확보하였으며, 가장 세밀한 모델에서 효과적 소스 평면 면적이 약 2.6배 감소하였다.
• 차등 및 누적 수치 수 분석을 수행하여 최근의 깊은 ALMA 설문과 비교하고, 3σ 수준에서 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력 렌즈 확대 효과를 보정한 후, 세 개의 ALMA 프론티어 필드 은하단에서-dusty star-forming galaxies의 진정한 1.1 mm 수치 수 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 렌즈 질량 모델 및 소스 적색편이 가정의 변화에 대해 유도된 수치 수는 얼마나 신뢰할 수 있는가?
• RQ3 0.1 mJy 이하에서 수치 수가 평탄화되거나 전환점이 나타나는가? 이는 어두운 sub-mJy 인구의 가능성을 시사하는가?
• RQ4 ALMA 관측이 은하단 필드에서 루트 평균 제곱(RMS) 노이즈 수준 이하의 복사세기를 얼마나 깊이 탐색할 수 있으며, 렌즈 효과를 통해 감도는 얼마나 효과적으로 향상될 수 있는가?
• RQ5 최근의 깊은 ALMA 설문과 비교할 때, 유도된 수치 수는 통계적 일관성과 어두운 끝에서의 잠재적 불일치가 있는가?

주요 결과

• 렌즈 보정된 차등 수치 수는 약 2.5 디오드(2.5 dex)에 걸쳐, 몇 mJy에서부터 수십 μJy까지의 복원된 복사세기 밀도를 포함하며, 소스 평면에서 약 2.5 μJy까지의 검출이 가능하다.
• 렌즈 모델 간의 시스템적 차이가 있음에도 불구하고, 각 은하단 필드에서 유도된 수치 수는 불확실성 범위 내에서 전반적으로 일치한다.
• 차등 및 누적 수치 수는 mJy에서 sub-mJy 범위 전역에서 최근의 깊은 ALMA 설문과 3σ 신뢰 수준에서 일치한다.
• 약 0.1 mJy 이하에서는 누적 수치 수가 이전 추정보다 약 1 디오드 낮게 나타나, 어두운 끝에서 수치 수 분포의 평탄화 또는 잠재적 전환점이 존재할 가능성을 시사한다.
• 분석 결과, 은하단 필드에서의 ALMA 모자이크 관측이 현지 RMS 노이즈 수준보다 약 4배 더 어두운 진정한 복사세기 밀도를 탐색할 수 있음을 입증하며, 강한 렌즈 효과가 sub-mJy 깊이 탐색에 있어 매우 강력한 도구임을 강조한다.
• 향후 ALMA 관측에서 RMS 수준이 약 10 μJy일 경우, 이들 필드에서 진정한 복사세기 밀도를 약 2.5 μJy까지 탐색할 수 있으며, 어두운 sub-mJy 인구의 보다 완전한 캐릭터화가 가능해질 것이다.