[论文解读] Extragalactic background light inferred from AEGIS galaxy SED-type fractions

A. Dominguez, Joel R. Primack+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 47

一句话总结

本文提出了一种新颖的、基于观测的方法，利用 AEGIS 巡天中约 6,000 个星系在 z = 0.2–1 范围内的光谱能量分布（SED）类型分数，从 0.1 到 1000 µm 推断演化中的河外背景光（EBL）谱。通过结合静止 frame K 波段光度函数与多波段 SED 分类，并将 SED 类型分数外推至更高红移，该模型在紫外至中红外波段对 EBL 实现了高度一致的约束，与星系计数的下限一致，表明目前 EBL 不确定性主要源于远红外建模，而非甚高能（VHE）γ 射线分析中对 EBL 的假设。

ABSTRACT

The extragalactic background light (EBL) is of fundamental importance both for understanding the entire process of galaxy evolution and for gamma-ray astronomy. However, the overall spectrum of the EBL between 0.1 and 1000 microns has never been determined directly neither from observed luminosity functions (LFs), over a wide redshift range, nor from any multiwavelength observation of galaxy spectral energy distributions (SEDs). The evolving, overall spectrum of the EBL is derived here utilizing a novel method based on observations only. The changing fractions of quiescent galaxies, star-forming galaxies, starburst galaxies and active galactic nucleus (AGN) galaxies from redshift 0.2 to 1 are estimated, and two alternative extrapolations of SED types to higher redshifts are considered. This allows calculation of the evolving EBL. The EBL uncertainties in our modelling based directly on the data are quantified, and their consequences for attenuation of very-high-energy gamma-rays due to pair production on the EBL are discussed. It is concluded that the EBL seems well constrained from the UV to the mid-IR at an intensity level roughly matching galaxy count data. Independent efforts from IR and gamma-ray astronomy are needed in order to reduce the uncertainties in the far-IR.

研究动机与目标

• 直接从观测到的星系群体推断演化中的 EBL 谱，而非依赖理论建模。
• 减少影响高红移耀变体 VHE γ 射线数据解释的 EBL 建模不确定性。
• 通过基于多波段数据的透明、可复现方法，评估星系计数与 γ 射线观测对 EBL 约束的可靠性。
• 量化 EBL 不确定性对 γ 射线消光及本征源谱恢复的影响。
• 识别当前 EBL 建模的局限性，特别是远红外波段，主要由于高红移处缺乏深度远红外测光数据。

提出的方法

• 该方法以参考文献 [13] 中的观测静止 frame K 波段光度函数（LF）作为星系数量密度演化的基准。
• 利用 z = 0.2–1 范围内多波段 AEGIS 数据估算星系 SED 类型分数（熄灭型、星形成型、星暴型、活动星系核型）。
• 通过两种不同假设对 SED 类型分数进行外推至更高红移，并通过敏感性分析评估其对 EBL 谱的影响。
• 通过加权各 SED 类型的谱谱能量分布并积分，计算 EBL 谱，权重为随红移演化的分数和光度函数。
• 将 K 波段 LF 的 Schechter 参数不确定性和测光星表误差传播，以量化 EBL 不确定性。
• 将所得 EBL 模型与高红移耀变体的 VHE γ 射线观测（3C 66A、3C 279、PKS 1222+216）进行对比，比较 EBL 修正后的谱与本征谱指数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅基于观测到的星系 SED 类型分数和光度函数，无需依赖理论星系形成模型，稳健地推断 EBL 谱？
• RQ2 观测到的 SED 类型分数和光度函数的不确定性如何传播至推导出的 EBL 谱的不确定性？
• RQ3 对 z > 1 的 SED 类型分数采用不同外推方式在多大程度上影响 EBL，特别是在远红外波段？
• RQ4 该观测到的 EBL 模型与独立的星系计数约束以及遥远耀变体的 VHE γ 射线观测结果匹配程度如何？
• RQ5 EBL 建模的不确定性是否是恢复高红移耀变体本征 γ 射线谱时的主要误差来源？

主要发现

• 基于观测 SED 类型分数和 K 波段 LFs 推导出的 EBL 谱与由积分星系计数得出的下限一致，表明宇宙具有高度透明性。
• 从紫外到中红外波段的 EBL 现在已得到良好约束，其不确定性显著小于早期模型。
• 高红移耀变体 EBL 修正谱的不确定性主要来自 γ 射线观测的统计和系统误差，而非 EBL 建模的不确定性。
• 该模型表明，EBL 不确定性在远红外波段最大，主要由于 AEGIS 样本中缺乏深度远红外测光数据，以及对高红移 SED 理解不足。
• 三颗高红移耀变体（3C 66A、3C 279、PKS 1222+216）的 EBL 修正谱与本征光子指数 ≥1.5 一致，支持该模型的可靠性。
• 结果表明，未来 CTA 观测将受益于当前的 EBL 约束，因为 EBL 建模已不再是 VHE γ 射线谱恢复中的主要不确定性来源。