[论文解读] Dusty starburst galaxies in the early Universe as revealed by gravitational lensing

J. D. Vieira, Daniel P. Marrone+68 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 10

一句话总结

本研究通过引力透镜效应，利用ALMA对强引力透镜化的亚毫米波亮源进行观测，揭示了早期宇宙中的尘埃星爆星系。研究在 z > 4 红移处识别出10个星系，表明这类明亮且富含尘埃的星爆活动在高红移宇宙中的丰度远超以往认知，证实其在早期星系演化中通过极端恒星形成发挥关键作用。

ABSTRACT

In the past decade, our understanding of galaxy evolution has been revolutionized by the discovery that luminous, dusty, starburst galaxies were 1,000 times more abundant in the early Universe than at present. It has, however, been difficult to measure the complete redshift 2 distribution of these objects, especially at the highest redshifts (z > 4). Here we report a redshift survey at a wavelength of three millimeters, targeting carbon monoxide line emission from the star-forming molecular gas in the direction of extraordinarily bright millimetrewave-selected sources. High-resolution imaging demonstrates that these sources are strongly gravitationally lensed by foreground galaxies. We detect spectral lines in 23 out of 26 sources and multiple lines in 12 of those 23 sources, from which we obtain robust, unambiguous redshifts. At least 10 of the sources are found to lie at z > 4, indicating that the fraction of dusty starburst galaxies at high redshifts is greater than previously thought. Models of lens geometries in the sample indicate that the background objects are ultra-luminous infrared galaxies, powered by extreme bursts of star formation.

研究动机与目标

• 测量早期宇宙中尘埃星爆星系的红移分布，特别是 z > 4 区域，该区域直接探测极具挑战性。
• 通过利用引力透镜效应放大并解析遥远、微弱的源，克服高红移星系巡天中的观测偏差。
• 识别并表征早期宇宙中由极端恒星形成驱动的超亮红外星系。
• 利用透镜增强的亚毫米波选源样本，确定尘埃星爆星系的真实丰度及其红移分布。
• 通过多波段成像与光谱观测验证透镜假说，将亚毫米波发射与前景透镜星系关联。

提出的方法

• 基于亚毫米波通量和类尘埃光谱指数，从南极望远镜巡天中选出47个高红移星系候选体。
• 利用ALMA进行高分辨率870 μm和3 mm波段的成像与光谱观测，以探测CO谱线发射与连续谱发射。
• 采用引力透镜模型重建背景星系的源几何结构，并推断其本征性质。
• 将ALMA的3 mm与870 μm数据与近红外及亚毫米波成像进行交叉匹配，确认透镜发射与前景透镜星系之间的位置一致性。
• 通过CO谱线跃迁（如CO(3-2)、CO(4-3)）确定红移，并利用外部数据与尘埃温度约束交叉验证存在歧义的红移结果。
• 通过移除IRAS和843 MHz对应体，排除低红移污染源，以隔离高红移尘埃星爆候选体。

实验结果

研究问题

• RQ1 尘埃星爆星系在早期宇宙中的真实红移分布是什么，特别是在 z > 4 区域？
• RQ2 引力透镜效应在亚毫米波巡天中对高红移星爆星系的探测产生多大程度的偏差或增强作用？
• RQ3 早期宇宙中最明亮的尘埃星系是否如其能谱分布所示，由极端且短暂的星爆活动驱动？
• RQ4 透镜几何结构与放大因子如何影响对高红移星爆星系性质的推断？
• RQ5 多波段成像与光谱观测能否确认亚毫米波亮源的透镜性质，并将其与前景污染源区分开？

主要发现

• 26个ALMA目标源中有23个检测到CO谱线发射，其中12个源呈现多条谱线，支持可靠的红移测定。
• 26个源中至少有10个位于 z > 4，与以往估计相比，显著提高了对早期宇宙中尘埃星爆星系占比的推断。
• 这些透镜化源与超亮红外星系（ULIRGs）一致，恒星形成率超过1,000 M☉/yr，由极端且紧凑的星爆活动驱动。
• 高分辨率ALMA成像确认了强烈的透镜效应，亚毫米波发射在空间上与低红移前景星系或星系群一致。
• 三个系统被确认为由星系团透镜化，其余则由致密星系群或单个星系透镜化，证实了透镜环境的多样性。
• 尘埃温度约束排除了多个源的低红移解释，例如SPT0452-50被确认位于 z = 2.010，因为在 z = 1.007 时其温度过低，不符合物理实际。