[论文解读] The Cosmic Infrared Background Resolved by Spitzer. Contributions of Mid-Infrared Galaxies to the Far-Infrared Background

H. Dole, G. Lagache+8 more|CERN Bulletin|Mar 8, 2006

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 277

一句话总结

本研究通过深度场中斯皮itzer MIPS 24 μm源的堆叠分析，直接测量了中红外星系对亚毫米波宇宙红外背景（CIB）的贡献。结果表明，24 μm选源解析了70和160 μm波段超过70%的CIB，其中红移z ∼ 1的明亮红外星系为主要贡献者，并确定CIB与宇宙光学背景在约24 nW m⁻² sr⁻¹的亮度上几乎相等。

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).

研究动机与目标

• 量化在70和160 μm波段，中红外（24 μm）选源星系对远红外（FIR）宇宙红外背景（CIB）的贡献。
• 利用斯皮itzer深空场的堆叠技术，解析FIR巡天在混淆极限以下的CIB。
• 通过将24 μm源数密度外推至更暗的流量，估算70和160 μm波段CIB的下限。
• 将总CIB与宇宙光学背景（COB）进行比较，评估河外背景光（EBL）的能量预算。
• 约束EBL的光谱能量分布（SED），并确定星系形成与演化过程中产生的红外光子与光学光子的比例。

提出的方法

• 对三个深空场中19,181个斯皮itzer MIPS 24 μm源（S₂₄ ≥ 60 μJy）在70和160 μm波段进行堆叠分析，以探测更暗的FIR流量。
• 通过堆叠源的平均FIR流量密度测量，推断其对CIB的总贡献。
• 在噪声预算中考虑光度测量噪声、校准系统误差及大尺度结构影响，以确保信噪比稳健。
• 对暗弱24 μm源使用恒定的色指数比（160/24和70/24），外推并估算70和160 μm波段CIB的下限。
• 结合堆叠结果与源数密度外推，以及高能实验的上限数据，约束EBL全波段SED。
• 对最佳估计的SED进行积分，计算总CIB与COB亮度，并确定红外光子与光学光子的比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 在70和160 μm波段，24 μm选源星系对远红外宇宙红外背景（CIB）的贡献占比是多少？
• RQ2 在FIR巡天的混淆极限以下，通过24 μm源堆叠能解析CIB的多大程度？
• RQ3 包括在24 μm波段未检测到的星系贡献在内，70和160 μm波段CIB的下限估计值是多少？
• RQ4 宇宙红外背景（CIB）与宇宙光学背景（COB）的总亮度水平如何比较？
• RQ5 星系形成与演化过程产生的红外光子与光学光子的比例是多少？

主要发现

• 24 μm选源星系对CIB的贡献分别为：24 μm波段79%、70 μm波段92%、160 μm波段69%，其中70 μm波段贡献最高。
• 堆叠分析解析了70和160 μm波段超过75%的CIB，CIB在约0.9 mJy（70 μm）和3 mJy（160 μm）的流量密度下被解析。
• CIB的下限估计值为：70 μm波段7.1 ± 1.0 nW m⁻² sr⁻¹，160 μm波段13.4 ± 1.7 nW m⁻² sr⁻¹，与模型预测一致。
• 总CIB与COB亮度几乎相等，均估计为~24 nW m⁻² sr⁻¹，COB/CIB比值接近1。
• 星系形成与演化过程产生的背景亮度相当于宇宙微波背景（CMB）的5%，其中直接星光（COB）与尘埃再辐射光（CIB）贡献相等。
• 平均而言，每产生一个可见光子，星系形成与演化过程会生成115个红外光子。