[논문 리뷰] Dusty starburst galaxies in the early Universe as revealed by gravitational lensing

J. D. Vieira, Daniel P. Marrone외 68명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 ALMA를 통해 강한 렌즈 효과를 띤 밀리미터파 밝은 천체를 관측함으로써 초기 우주에 있는 먼지가 많은 별 형성은행 은하를 드러내는 데 중력을 이용한다. z > 4에서 10개의 은하를 특정하여, 이처럼 높은 빛의 밝기와 먼지가 많은 별 형성은행이 이전에 알려진 것보다 훨씬 더 높은 적색편이에서 흔히 존재했음을 입증하며, 극도의 별 형성으로 인해 초기 은하 진화에 기여했음을 확인한다.

ABSTRACT

In the past decade, our understanding of galaxy evolution has been revolutionized by the discovery that luminous, dusty, starburst galaxies were 1,000 times more abundant in the early Universe than at present. It has, however, been difficult to measure the complete redshift 2 distribution of these objects, especially at the highest redshifts (z > 4). Here we report a redshift survey at a wavelength of three millimeters, targeting carbon monoxide line emission from the star-forming molecular gas in the direction of extraordinarily bright millimetrewave-selected sources. High-resolution imaging demonstrates that these sources are strongly gravitationally lensed by foreground galaxies. We detect spectral lines in 23 out of 26 sources and multiple lines in 12 of those 23 sources, from which we obtain robust, unambiguous redshifts. At least 10 of the sources are found to lie at z > 4, indicating that the fraction of dusty starburst galaxies at high redshifts is greater than previously thought. Models of lens geometries in the sample indicate that the background objects are ultra-luminous infrared galaxies, powered by extreme bursts of star formation.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주에서 먼지가 많은 별 형성은행 은하의 적색편이 분포를 측정하는 것, 특히 직접 탐지가 어려운 z > 4에서의 경우.
• 고적색편이 은하 조사에서 발생하는 관측 편향을 극복하기 위해 중력 렌즈 효과를 활용하여 흐린 멀리 떨어진 천체를 증폭하고 해상도를 높이는 것.
• 초기 우주에서 극도의 별 형성으로 인해 발생하는 초광역 적외선 은하를 식별하고 특성화하는 것.
• 렌즈 효과를 활용한 밀리미터파로 선택된 샘플을 통해 먼지가 많은 별 형성은행 은하의 진정한 빈도와 적색편이 분포를 규명하는 것.
• 다중 파장 영상 및 스펙트로스코피를 통해 렌즈 효과 가정을 검증하고, 밀리미터파 방출이 전경 렌즈 효과 은하와 연결됨을 입증하는 것.

제안 방법

• 밀리미터 파워와 먼지 유사 스펙트럼 기울기를 기반으로 사우스포일 탐사에서 47개의 고적색편이 은하 후보를 선별.
• 고해상도 870 μm 및 3 mm ALMA 영상 및 스펙트로스코피를 수행하여 CO 선 방출과 연속 방출을 탐지.
• 중력 렌즈 모델을 사용하여 배경 은하의 기하학적 구조를 재구성하고 내재된 성질을 추정.
• 렌즈 효과가 있는 영역에서 ALMA 3 mm 및 870 μm 데이터를 근적외선 및 서브밀리미터 영상과 교차 매칭하여 렌즈 효과 방출과 전경 렌즈 효과 은하 간의 위치 일치를 확인.
• CO 선 전이(예: CO(3-2), CO(4-3))를 통해 적색편이를 결정하고, 애매한 적색편이의 경우 외부 데이터와 먼지 온도 제약 조건을 활용해 검증.
• IRAS 및 843 MHz 대응체를 제거하여 저적색편이 오염 물질을 제거함으로써 고적색편이 먼지가 많은 별 형성은행 후보를 고립.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 우주에서 먼지가 많은 별 형성은행 은하의 진정한 적색편이 분포는 무엇이며, 특히 z > 4에서 어떻게 되는가?
• RQ2 밀리미터파 조사에서 고적색편이 별 형성은행 은하의 탐지에 중력 렌즈 효과가 어느 정도 편향을 유도하거나 증폭시키는가?
• RQ3 초기 우주에서 가장 밝은 먼지가 많은 은하들은 그들의 스펙트럼 에너지 분포에 의해 극도로 짧은 수명의 별 형성은행에 의해 추진된 것인가?
• RQ4 렌즈 효과 기하학과 증폭 계수는 고적색편이 별 형성은행 은하의 추정 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다중 파장 영상 및 스펙트로스코피를 통해 밀리미터파로 밝은 소스의 렌즈 효과 성격을 확인하고, 전경 오염 물질과 구별할 수 있는가?

주요 결과

• ALMA 대상 26개 소스 중 23개에서 CO 선 방출이 검출되었으며, 이 중 12개는 다중 선을 나타내어 신뢰성 있는 적색편이 결정이 가능했다.
• 26개 소스 중 최소 10개가 z > 4에서 발견되어, 이전 추정보다 초기 우주에서 먼지가 많은 별 형성은행 은하의 비율이 훨씬 더 높다는 것이 확인되었다.
• 렌즈 효과를 받은 소스들은 별 형성률이 1,000 M☉/yr를 초과하는 초광역 적외선 은하(ULIRGs)로 일관되며, 극도로 빈약하고 집중된 별 형성은행에 의해 추진된 것으로 나타났다.
• 고해상도 ALMA 영상은 강한 렌즈 효과의 정황을 확인하였으며, 밀리미터파 방출이 낮은 적색편이의 전경 은하 또는 은하 군과 공간적으로 일치했다.
• 세 개의 시스템은 은하 클러스터에 의해 렌즈 효과를 받는 것으로 확인되었고, 나머지 시스템들은 밀도가 높은 은하 군 또는 단일 은하에 의해 렌즈 효과를 받는 것으로 나타나 렌즈 효과 환경의 다양성을 확인했다.
• 먼지 온도 제약 조건은 몇몇 소스에 대해 낮은 적색편이 해석을 배제하였다. 예를 들어 SPT0452-50는 z = 1.007일 경우에 비해 극도로 낮은 온도를 보였기에 z = 2.010으로 확인되었다.