[论文解读] Detection of a Lensed z$\approx$11 Galaxy in the Rest-Optical with Spitzer/IRAC and the Inferred SFR, Stellar Mass, and Physical Size

Daniel Lam, R. J. Bouwens+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2019

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用 9

一句话总结

本研究利用深度斯皮策/IRAC对强引力透镜效应下的 z≈11 星系 MACS0647-JD 的观测，约束其物理性质，包括恒星质量、年龄、恒星形成速率和物理尺寸。通过引力透镜放大效应克服观测限制，作者推导出恒星质量为 log₁₀(M*/M☉) = 9.1⁺⁰.²₋₁.₄，年龄为 log₁₀(age/yr) = 8.6⁺⁰.¹₋₂.₁，以及极为紧凑的尺寸 105±28 pc，与模拟中的极端早期星系一致。

ABSTRACT

We take advantage of new 100-hour Spitzer/IRAC observations available for MACS0647-JD, a strongly lensed $z\approx11$ galaxy candidate, to provide improved constraints on its physical properties. Probing the physical properties of galaxies at $z>8$ is challenging due to the inherent faintness of such sources and the limited wavelength coverage available. Thanks to the high $\approx$2-6$ imes$ lensing magnification of the multiple images of MACS0647-JD, we can use the sensitive Spitzer/IRAC data to probe the rest-frame optical fluxes of MACS0647-JD and investigate its physical properties including the age and the stellar mass. In deriving Spitzer/IRAC fluxes for MACS0647-JD, great care is taken in coping with the impact of three bright ($\approx$8-16 mag) stars in our field to ensure robust results. Assuming a constant star formation rate, the age, stellar mass, and rest-frame UV slope we estimate for MACS0647-JD based on a stack of the photometry are log$_{10}$(age/yr) = 8.6$^{+0.1}_{-2.1}$, log$_{10}$(M$_{*}$/M$_{\odot}$) = 9.1$^{+0.2}_{-1.4}$, and $β= -$1.3$\pm$0.6, respectively. We compare our results with expectations from the EAGLE simulation and find that MACS0647-JD has properties consistent with corresponding to the most massive and rapidly star-forming galaxies in the simulation. We also find that its radius, 105$\pm$28 pc, is a factor of $\approx$2 smaller than the mean size in a separate simulation project DRAGONS. Interestingly enough, the observed size is similar to the small sizes seen in very low-luminosity $z\approx$6-10 galaxies behind lensing clusters.

研究动机与目标

• 为了改善对 z≈11 高红移星系物理性质的约束，此时其红移后的光学波段已超出哈勃望远镜的灵敏度范围。
• 通过利用强引力透镜放大效应，克服源体微弱和波段覆盖有限的观测挑战。
• 使用斯皮策/IRAC测量 MACS0647-JD 的红移后光学波段流量，以推导恒星群体参数，如年龄、质量与恒星形成速率。
• 将推导出的物理性质与宇宙学模拟（EAGLE 和 DRAGONS）的预测进行比较，以评估其与理论模型的一致性。

提出的方法

• 利用针对 z≈11 星系 MACS0647-JD 的 100 小时斯皮策/IRAC 观测，该星系由 MACS0647 星系团产生强引力透镜效应，放大因子约为 2–6。
• 执行细致的测光提取，减去附近明亮恒星的污染，以确保在三个多重像上获得可靠的流量测量。
• 将多个像的测光数据合并，生成堆叠的光谱能量分布（SED），以实现对恒星群体合成模型的稳健拟合，从而估算年龄、恒星质量与紫外谱指数。
• 应用恒星群体合成建模，假设恒定的恒星形成速率，从 SED 推导出物理参数。
• 将推导出的恒星质量与尺寸与 EAGLE 和 DRAGONS 宇宙学模拟的预测进行比较，以评估一致性。
• 利用高分辨率成像与引力透镜模型测量物理半光半径，同时考虑放大效应与去卷积影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 当星系的恒星连续谱红移至哈勃望远镜灵敏度范围之外时，z≈11 星系的红移后光学性质是什么？
• RQ2 MACS0647-JD 的恒星质量、年龄与恒星形成速率与 EAGLE 等宇宙学模拟的预测相比如何？
• RQ3 MACS0647-JD 的物理尺寸是多少？与同类红移下的模拟星系相比如何？
• RQ4 MACS0647-JD 观测到的紧凑尺寸在多大程度上挑战或支持当前早期星系形成模型？
• RQ5 引力透镜放大效应如何实现对如此微弱、高红移源的探测与表征？

主要发现

• MACS0647-JD 的恒星质量估计为 log₁₀(M*/M☉) = 9.1⁺⁰.²₋₁.₄，表明其为一个相对质量较大的早期星系。
• 推断出的年龄为 log₁₀(age/yr) = 8.6⁺⁰.¹₋₂.₁，对应于大爆炸后约 4 亿年内形成的星系。
• 红移后紫外谱指数测量为 β = -1.3 ± 0.6，表明连续谱相对明亮且尘埃消光较低。
• MACS0647-JD 的物理半光半径为 105 ± 28 pc，约为 DRAGONS 模拟中典型 z≈11 星系尺寸的两倍，表现出显著的紧凑性。
• 观测到的尺寸与在强引力透镜场中背景低光度 z≈6–10 星系所见的小尺寸一致，提示可能存在共同的形成机制。
• 推导出的物理性质使 MACS0647-JD 成为 EAGLE 模拟中质量最大、恒星形成最迅速的星系之一，支持其与高红移星系演化模型的一致性。