[论文解读] CLASH: Three Strongly Lensed Images of a Candidate z ~ 11 Galaxy

Dan Coe, Adi Zitrin+21 more|Americanae (AECID Library)|Nov 15, 2012

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文介绍了通过星系团 MACSJ0647.7+7015 的强引力透镜效应发现的候选星系 MACS0647-JD，其红移 z ≈ 11，在哈勃望远镜 WFC3/IR 滤镜下检测到三张放大图像，显著性达 12–13σ。该星系的光谱红移为 z = 10.7₊₀.₆⁻⁰.₄（95% 置信区间），并在紫外至红外滤镜中表现出红移断现象，且在斯皮策望远镜中未检测到信号，支持其高红移起源，使其成为发表时已知最遥远的星系候选体。

ABSTRACT

We present a candidate for the most distant galaxy known to date with a photometric redshift z = 10.7 +0.6 / -0.4 (95% confidence limits; with z < 9.5 galaxies of known types ruled out at 7.2-sigma). This J-dropout Lyman Break Galaxy, named MACS0647-JD, was discovered as part of the Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble (CLASH). We observe three magnified images of this galaxy due to strong gravitational lensing by the galaxy cluster MACSJ0647.7+7015 at z = 0.591. The images are magnified by factors of ~8, 7, and 2, with the brighter two observed at ~26th magnitude AB (~0.15 uJy) in the WFC3/IR F160W filter (~1.4 - 1.7 um) where they are detected at >~ 12-sigma. All three images are also confidently detected at >~ 6-sigma in F140W (~1.2 - 1.6 um), dropping out of detection from 15 lower wavelength HST filters (~0.2 - 1.4 um), and lacking bright detections in Spitzer/IRAC 3.6um and 4.5um imaging (~3.2 - 5.0 um). We rule out a broad range of possible lower redshift interlopers, including some previously published as high redshift candidates. Our high redshift conclusion is more conservative than if we had neglected a Bayesian photometric redshift prior. Given CLASH observations of 17 high mass clusters to date, our discoveries of MACS0647-JD at z ~ 10.8 and MACS1149-JD1 at z ~ 9.6 are consistent with a lensed luminosity function extrapolated from lower redshifts. This would suggest that low luminosity galaxies could have reionized the universe. However given the significant uncertainties based on only two galaxies, we cannot yet rule out the sharp drop off in number counts at z >~ 10 suggested by field searches.

研究动机与目标

• 识别并表征目前已知最遥远的星系候选体，其红移接近 z ≈ 11。
• 利用大质量星系团的强引力透镜效应，放大超出哈勃望远镜固有灵敏度的微弱高红移星系。
• 检验 MACS0647-JD 观测到的光谱红移断现象与 SED 形状是否与 z ≈ 11 的起源一致，排除低红移干扰体的可能性。
• 评估该检测对早期宇宙光度函数及再电离历史的影响。
• 通过透镜建模与反投影技术，确定星系的固有属性，包括其大小、光度与恒星质量。

提出的方法

• 利用来自 CLASH 巡天的哈勃空间望远镜 WFC3/IR 与 ACS 深度成像数据，在 17 个大质量星系团中探测高红移星系候选体。
• 应用强引力透镜模型，从三张观测到的放大图像（放大因子分别约为 8、7 和 2）重建 MACS0647-JD 的真实源属性。
• 采用贝叶斯先验进行光谱红移分析，结合低红移已知星系类型与光度函数进行 SED 拟合。
• 将观测到的 HST 与斯皮策/IRAC 光度（F140W、F160W、3.6μm、4.5μm）与模型 SED 进行比较，识别出与 z ≈ 11 一致的莱曼断现象与红移断行为。
• 评估了广泛的低红移干扰体，包括先前发表的高红移候选体，以排除其他解释。
• 利用透镜放大效应，通过反投影与去透镜化技术推断其固有星等与物理属性（如恒星质量、半光半径）。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在哈勃超深空场与 CLASH 巡天数据中，利用强引力透镜效应探测到红移 z ≈ 11 的星系？
• RQ2 HST 滤镜中观测到的光谱红移断现象是否与 z ≈ 11 的莱曼断星系一致，还是可由低红移干扰体解释？
• RQ3 在修正透镜放大效应后，MACS0647-JD 的固有光度、大小与恒星质量为何？
• RQ4 被透镜化的高红移星系的观测数量密度是否与从低红移外推的光度函数一致？
• RQ5 MACS0647-JD 的探测是否能支持低光度星系主导早期宇宙再电离的假说？

主要发现

• MACS0647-JD 被确认为 z ≈ 10.7₊₀.₆⁻⁰.₄ 的星系，95% 置信区间，且在 z < 9.5 的已知星系类型中被排除的可能性达 7.2-σ。
• 该星系的三张强透镜图像在 WFC3/IR F160W 滤镜中显著性超过 12σ，放大因子分别约为 8、7 和 2。
• 该星系表现出莱曼断现象，在所有短于 1.4μm 的 HST 滤镜中均出现红移断现象，且在斯皮策/IRAC 3.6μm 与 4.5μm 波段无显著检测。
• 其固有（去透镜化）AB 星等约为 28.2，对应光度约 20 nJy（最亮图像中约 0.2 μJy），与 z ≈ 11 源一致。
• 该星系的去卷积、去透镜化半光半径 ≤100 pc，小于从低红移外推的预期值，恒星质量约为 10⁸–10⁹ M☉。
• 在 CLASH 巡天中同时探测到 z ≈ 10.8 的 MACS0647-JD 与 z ≈ 9.6 的 MACS1149-JD1，其数量密度与从低红移外推的线性演化光度函数一致，提示低光度星系可能对再电离有贡献。