[논문 리뷰] The Cosmic Infrared Background Resolved by Spitzer. Contributions of Mid-Infrared Galaxies to the Far-Infrared Background

H. Dole, G. Lagache외 8명|CERN Bulletin|2006. 03. 08.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 1인용 수 277

한 줄 요약

이 연구는 깊은 천문 관측 영역에서 스피itzer MIPS 24 μm 소스의 스태킹 분석을 통해 중간 적외선 은하의 적외선 우주 background(CIB)에 대한 기여를 직접 측정한다. 24 μm로 선택된 은하들이 70 및 160 μm에서 CIB의 70% 이상을 해소하며, z ∼ 1에 위치한 높은 적외선 빛을 내는 은하(LIRGs)가 주요 기여자임을 확인하였고, CIB와 간섭광 배경(COB)이 약 24 nW m⁻² sr⁻¹에서 거의 동일한 밝기임을 규명하였다.

ABSTRACT

Aims. We quantify the contributions of 24um galaxies to the Far-Infrared (FIR) Background at 70 and 160um. We provide new estimates of the Cosmic Infrared Background (CIB), and compare it with the Cosmic Optical Background (COB). Methods. Using Spitzer data at 24, 70 and 160um in three deep fields, we stacked more than 19000 MIPS 24um sources with S24>60uJy at 70 and 160um, and measured the resulting FIR flux densities. Results. This method allows a gain up to one order of magnitude in depth in the FIR. We find that the Mid-Infrared (MIR) 24um selected sources contribute to more than 70% of the CIB at 70 and 160um. This is the first direct measurement of the contribution of MIR-selected galaxies to the FIR CIB. Galaxies contributing the most to the total CIB are thus z~1 luminous infrared galaxies, which have intermediate stellar masses. We estimate that the CIB will be resolved at 0.9 mJy at 70 and 3 mJy at 160um. By combining the extrapolation of the 24um source counts below 60uJy, with 160/24 and 70/24 colors as measured with the stacking analysis, we obtain lower limits of 7.1+/-1.0 and 13.4+/-1.7 nW/m2/sr for the CIB at 70 and 160um, respectively. Conclusions. The MIPS surveys have resolved more than three quarters of the MIR and FIR CIB. By carefully integrating the Extragalactic Background Light (EBL) SED, we also find that the CIB has the same brightness as the COB, around 24 nW/m2/sr. The EBL is produced on average by 115 infrared photons for one visible photon. Finally, the galaxy formation and evolution processes emitted a brightness equivalent to 5% of the primordial electromagnetic background (CMB).

연구 동기 및 목표

• 24 μm로 선택된 중간 적외선 은하가 70 및 160 μm에서의 적외선 우주 background(CIB)에 기여하는 정도를 정량화하기 위해.
• 깊은 스피처 영역에서의 스태킹 기법을 사용하여 FIR 조사의 혼잡한 한계 이하의 CIB를 해소하기 위해.
• 24 μm 소스 카운트를 더 희미한 플럭스로 외삽하여 70 및 160 μm에서의 CIB에 대한 하한 추정치를 산출하기 위해.
• 총 CIB와 간섭광 배경(COB)을 비교하고, 간성외 배경 빛(EBL)의 에너지 예산을 평가하기 위해.
• EBL의 스펙트럼 에너지 분포(SED)를 제약하고, 은하 형성 및 진화 과정에서 생성된 적외선과 가시광선 광자의 비율을 결정하기 위해.

제안 방법

• 70 및 160 μm에서 19,181개의 스피처 MIPS 24 μm 소스(S₂₄ ≥ 60 μJy)를 깊은 영역에서 스태킹 분석하여 더 희미한 FIR 플럭스를 탐색하기 위해.
• 스태킹된 소스에서 평균 FIR 플럭스 밀도를 측정하여 CIB에 대한 총 기여도를 추론하기 위해.
• 광학적 노이즈, 캘리브레이션 시스템적 오차, 노이즈 예산 내의 대규모 구조를 고려하여 신호 대비 노이즈 비율이 신뢰성 있게 유지되도록 하기 위해.
• 희미한 24 μm 소스에 대해 일정한 색상 비율(160/24 및 70/24)을 사용하여 70 및 160 μm에서의 CIB에 대한 하한 추정치를 외삽 및 산정하기 위해.
• 스태킹 결과를 소스 카운트 외삽 및 고에너지 실험에서의 상한선과 조합하여 전체 EBL SED를 제약하기 위해.
• 최적 추정 SED를 통합하여 총 CIB 및 COB 밝기를 계산하고, 적외선 광자와 가시광선 광자의 비율을 결정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 24 μm에서 선택된 은하들이 70 및 160 μm에서의 적외선 우주 background(CIB)에 차지하는 비율은 얼마인가?
• RQ2 FIR 조사의 혼잡한 한계 이하에서 24 μm 소스의 스태킹을 통해 CIB를 얼마나 잘 해소할 수 있는가?
• RQ3 24 μm에서 감지되지 않은 은하들의 기여를 포함하여 70 및 160 μm에서의 CIB에 대한 하한 추정치는 무엇인가?
• RQ4 총 CIB와 COB의 밝기 수준은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 은하 형성 및 진화 과정에서 생성된 적외선 광자와 가시광선 광자의 비율은 얼마인가?

주요 결과

• 24 μm로 선택된 은하는 각각 24, 70, 160 μm에서 CIB에 79%, 92%, 69% 기여하며, 70 μm에서 가장 높은 기여를 한다.
• 스태킹 분석을 통해 70 및 160 μm에서 CIB의 75% 이상이 해소되었으며, CIB는 약 0.9 mJy(70 μm) 및 3 mJy(160 μm)의 플럭스 밀도에서 해소되었다.
• 70 μm에서 CIB의 하한 추정치는 7.1 ± 1.0 nW m⁻² sr⁻¹이며, 160 μm에서는 13.4 ± 1.7 nW m⁻² sr⁻¹로, 모델 예측과 일치한다.
• 총 CIB와 COB는 거의 동일한 밝기이며, 각각 약 24 nW m⁻² sr⁻¹로 추정되었고, COB/CIB 비율은 1에 가깝다.
• 은하 형성 및 진화 과정은 CMB의 5%에 해당하는 배경 밝기를 생성하였으며, 직접적인 별빛(COB)과 먼지에 의해 재처리된 빛(CIB)이 동일한 기여를 하였다.
• 평균적으로, 외부 은하 배경 빛에서 가시광선 광자 1개당 적외선 광자 115개가 생성되었다.