[論文レビュー] Extensive Lensing Survey of Optical and Near-Infrared Dark Objects (El Sonido): HST H-Faint Galaxies behind 101 Lensing Clusters

Fengwu Sun, Eiichi Egami+23 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 159被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、スパitzer/IRACおよびハッブル宇宙望遠鏡のデータを用いて、101個の強引力レンズ効果を示す銀河団の背後に位置する53個のHバンドが非常に暗い（H160 ≳26.4 ABマグニチュード）銀河を特定する、光学的・近赤外線暗黒天体の広域レンズ効果サーベイ（El Sonido）を提示する。主な結果として、これらのHバンドが暗い銀河は、z ≈ 3.9に位置し、質量が大きく、ほこりが多く、星形成活発な系であり、サイズが小さく（Re,circ ≈ 1.9 kpc）、高赤方偏移における質量のある銀河集団のほこりを含む尾部を形成しており、z ∼ 3–5における宇宙の星形成率密度に顕著な貢献をしていることが示された。

ABSTRACT

We present a Spitzer/IRAC survey of H-faint ($H_{160} \gtrsim 26.4$, $<5\sigma$) sources in 101 lensing cluster fields. Across a CANDELS/Wide-like survey area of $\sim$648 arcmin$^2$ (effectively $\sim$221 arcmin$^2$ in the source plane), we have securely discovered 53 sources in the IRAC Channel-2 band (CH2, 4.5 $\mathrm{\mu m}$; median CH2$=22.46\pm0.11$ AB mag) that lack robust HST/WFC3-IR F160W counterparts. The most remarkable source in our sample, namely ES-009 in the field of Abell 2813, is the brightest H-faint galaxy at 4.5 $\mathrm{\mu m}$ known so far ($\mathrm{CH2}=20.48\pm0.03$ AB mag). We show that the H-faint sources in our sample are massive (median $M_\mathrm{star} = 10^{10.3\pm 0.3}$ $M_\odot$), star-forming (median star formation rate $=100_{-40}^{+60}$ $M_\odot$yr$^{-1}$) and dust-obscured ($A_V=2.6\pm0.3$) galaxies around a median photometric redshift of $z=3.9\pm0.4$. The stellar continua of 14 H-faint galaxies can be resolved in the CH2 band, suggesting a median circularized effective radius ($R_\mathrm{e,circ}$; lensing corrected) of $1.9\pm0.2$ kpc and $<1.5$ kpc for the resolved and whole samples, respectively. This is consistent with the sizes of massive unobscured galaxies at $z\sim4$, indicating that H-faint galaxies represent the dusty tail of the distribution of a wider galaxy population. Comparing with the ALMA dust continuum sizes of similar galaxies reported previously, we conclude that the heavy dust obscuration in H-faint galaxies is related to the compactness of both stellar and dust continua ($R_\mathrm{e,circ}\sim 1$ kpc). These H-faint galaxies make up $16_{-7}^{+13}$% of the galaxies in the stellar mass range of $10^{10}-10^{11.2}$ $M_\odot$ at $z=3\sim5$, contributing to $8_{-4}^{+8}$% of the cosmic star formation rate density in this epoch and likely tracing the early phase of massive galaxy formation.

研究の動機と目的

• 本研究の目的は、ほこりに強く遮蔽されており、光学的サーベイでは検出できない極めて暗く近赤外線で暗い銀河を特定し、特徴づけることである。
• これらのHバンドが暗い銀河の物理的性質、特に星形成質量、星形成率、ほこりの含有量、サイズを理解することである。
• ほこりによる遮蔽とコンパクトな構造が、高赤方偏移銀河の観測された性質に与える影響を調査することである。
• z ≈ 3–5におけるこれらのHバンドが暗い銀河が、宇宙の星形成率密度に果たす貢献度を定量化することである。

提案手法

• 本サーベイは、HST/WFC3-IR F160W（H160 ≳26.4 ABマグニチュード）で検出されないが、Spitzer/IRACの4.5 µm（CH2）バンドで検出可能な源を特定するため、深紫外赤外観測を実施し、光学／近赤外線対応のないHバンドが暗い銀河を同定する。
• 101個の質量の大きな銀河団による強引力レンズ効果により、通常は検出不能なほど極めて暗い背景銀河が拡大され、検出可能となる。
• 赤方偏移、星形成パラメータの推定には、スペクトルエネルギー分布（SED）フィッティングを用いた赤方偏移推定、星形成パラメータ合成モデルを適用する。
• 星形成パラメータとほこりの連続スペクトルのサイズは、IRAC CH2バンド画像に対してGALFITを用いて測定し、レンズ効果の増幅補正を施して、固有の有効半径（Re,circ）を導出する。
• Hバンドが暗い銀河のサイズを、ALMAで検出されたサブミリ波長銀河と比較し、構造的類似性や物理的関連性を評価する。
• 統計的解析により、質量範囲10^10–10^11.2 M⊙の銀河の割合と、z ≈ 3–5における宇宙の星形成率密度への寄与度を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HST F160Wで検出されないが、Spitzer/IRAC CH2で検出されるHバンドが暗い銀河の固有の物理的性質は何か？
• RQ2 Hバンドが暗い銀河の星形成質量、星形成率、ほこりの減光、サイズは、遮蔽のない高赤方偏移銀河と比べてどう異なるか？
• RQ3 Hバンドが暗い銀河は、z ≈ 4における質量のある銀河形成のほこりを含むコンパクトな段階をどれほど代表しているか？
• RQ4 Hバンドが暗い銀河は、z ≈ 3–5における宇宙の星形成率密度にどれほど貢献しているか？
• RQ5 Hバンドが暗い銀河のコンパクトなサイズは、高いほこりの遮蔽と高い星形成率と関連しているか？

主な発見

• サンプル内のHバンドが暗い銀河は質量が大きく、中央値星形成質量は10^10.3±0.3 M⊙である。
• 活発な星形成を示しており、中央値星形成率は100+60−40 M⊙ yr−1である。
• 強いほこりの遮蔽を示しており、中央値AVは2.6±0.3であり、静止系のUV-光学光の大幅な減光を示している。
• 14個の解像度が得られたHバンドが暗い銀河の中央値円形有効半径（Re,circ）は1.9 ± 0.2 kpcであり、全サンプルでは< 1.5 kpcと、コンパクトな構造を示している。
• これらのHバンドが暗い銀河は、z ≈ 3–5における星形成質量範囲10^10–10^11.2 M⊙の銀河の16+13−7%を占めている。
• z ≈ 3–5における宇宙の星形成率密度への寄与度は8+8−4%であり、初期の質量のある銀河の形成に顕著な貢献をしていることが示された。