[论文解读] ALMA imaging of SDP.81 - I. A pixelated reconstruction of the far-infrared continuum emission

Matus Rybak, J. P. McKean+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究利用ALMA的高分辨率亚连续谱数据，结合一种新颖的贝叶斯像素化可见度拟合技术，重建了红移z = 3.042的引力透镜星暴星系SDP.81的未透镜化远红外辐射。结果揭示了一个直径约1.9 kpc、拉长的盘状结构，包含多个恒星形成区域，其中一处致密星团的恒星形成率密度为190 ± 20 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²，与亚爱丁顿星暴一致，表明透镜系统中不存在显著的尺寸偏差。

ABSTRACT

We present a sub-50 pc-scale analysis of the gravitational lens system SDP.81 at redshift 3.042 using Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA) science verification data. We model both the mass distribution of the gravitational lensing galaxy and the pixelated surface brightness distribution of the background source using a novel Bayesian technique that fits the data directly in visibility space. We find the 1 and 1.3 mm dust emission to be magnified by a factor of u_tot = 17.6+/-0.4, giving an intrinsic total star-formation rate of 315+/-60 M_sol/yr and a dust mass of 6.4+/-1.5*10^8 M_sol. The reconstructed dust emission is found to be non-uniform, but composed of multiple regions that are heated by both diffuse and strongly clumped star-formation. The highest surface brightness region is a ~1.9*0.7 kpc disk-like structure, whose small extent is consistent with a potential size-bias in gravitationally lensed starbursts. Although surrounded by extended star formation, with a density of 20-30+/-10 M_sol/yr/kpc^2, the disk contains three compact regions with densities that peak between 120-190+/-20 M_sol/yr/kpc^2. Such star-formation rate densities are below what is expected for Eddington-limited star-formation by a radiation pressure supported starburst. There is also a tentative variation in the spectral slope of the different star-forming regions, which is likely due to a change in the dust temperature and/or opacity across the source.

研究动机与目标

• 解析引力透镜星暴星系SDP.81在z = 3.042处远红外尘埃辐射的亚50 pc尺度结构。
• 通过在可见度空间中直接建模源面亮度，克服光束弥散和差异放大效应的限制。
• 绘制源面空间分辨的恒星形成率密度分布，并检验是否满足辐射压支持星暴的爱丁顿极限条件。
• 研究不同恒星形成区域间尘埃光谱斜率的变化，以推断温度或光学厚度的物理差异。
• 评估透镜系统是否因放大效应而存在尺寸偏差，通过测量源的本征尺寸进行评估。

提出的方法

• 利用ALMA科学验证数据，在1 mm和1.3 mm波段（236 GHz和290 GHz）的Band 6和Band 7中获取高信噪比数据。
• 应用一种贝叶斯像素化可见度拟合透镜建模技术，直接从可见度数据重建源面，避免图像平面去卷积。
• 同时建模前景透镜星系的质量分布与背景源的未透镜化表面亮度分布。
• 采用像素化源重建方法，结合马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法推断不确定性与后验分布。
• 利用重建的源面数据推导本征恒星形成率、尘埃质量和表面亮度，校正总放大率（μ_total = 17.6 ± 0.4）。
• 分析不同星团在230至290 GHz频段间的光谱斜率变化，以推断局部尘埃温度和光学厚度的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在修正引力透镜效应后，SDP.81中恒星形成区域的本征尺寸和形态为何？
• RQ2 源面空间分辨的恒星形成率密度如何分布？是否超过辐射压支持星暴的爱丁顿极限？
• RQ3 不同星团间尘埃光谱斜率是否存在变化，表明尘埃温度或光学厚度存在差异？
• RQ4 主发射区域观测到的紧凑性是否反映了引力透镜星暴中的尺寸偏差？
• RQ5 在可见度空间中采用像素化源重建的建模方法，是否能比传统成像提供更准确、无偏的高红移恒星形成星系视图？

主要发现

• 未透镜源的直径约为1.9 kpc，呈拉长形态，与包含多个恒星形成区域的盘状结构一致。
• 尘埃辐射的总放大率为μ_total = 17.6 ± 0.4，对应本征总恒星形成率为315 ± 60 M⊙ yr⁻¹，尘埃质量为6.4 ± 1.5 × 10⁸ M⊙。
• 恒星形成率密度在源面上从约20至190 ± 20 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²不等，峰值位于一个致密星团，且低于爱丁顿极限（约1000 M⊙ yr⁻¹ kpc⁻²）。
• 中心主导星团在230与290 GHz之间的流量比为0.51 ± 0.07，而北部和南部星团的比值较低（分别为0.41 ± 0.03和0.45 ± 0.05），表明光谱斜率更陡，可能存在尘埃温度或光学厚度的差异。
• 光谱指数α从全局的约2.8变化至星团间的约3.9–4.3，表明全局尘埃模型不足以描述多组分恒星形成区域。
• 源在约100 mas尺度上被分解为两个弧状结构，但在30 mas尺度上大部分发射被消光（基线长度~5 Mλ），证实源本身本征尺寸较小，与透镜系统中的尺寸偏差一致。