[论文解读] HST Frontier Fields ("FRONTIER")

Jennifer M. Lotz|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Astronomy and Astrophysical Research被引用 7

一句话总结

Frontier Fields计划结合哈勃空间望远镜和斯皮策空间望远镜的观测，利用六个大质量星系团的强引力透镜效应，实现了对遥远宇宙最深的红外与光学图像。通过利用天然的引力透镜，该调查探测了红移z > 6的星系，其固有星等暗至30–33 AB星等，从而实现了对早期星系形成与暗物质分布前所未有的研究。

ABSTRACT

International audience

研究动机与目标

• 在詹姆斯·韦布空间望远镜发射之前，推动探测早期宇宙中最暗淡、最遥远星系的观测前沿。
• 利用大质量星系团的强引力透镜效应放大并增强背景星系，使观测深度超过空白场的极限。
• 在再电离时期（6 < z < 10）产生一个统计上可靠的高红移星系数据集，以约束星系光度函数的暗端。
• 为更广泛的天文学界提供公开的、非专有的引力透镜模型与深度多波段成像。
• 通过提供集群场与并行场中深度高动态范围的数据，支持地面与空间设施的多波段后续研究。

提出的方法

• 基于高透镜强度、低银河消光以及适合地面后续观测的条件，选取六个大质量星系团（阿贝尔2744、MACSJ0416、MACSJ0717、MACSJ1149、阿贝尔S1063、阿贝尔370）。
• 在哈勃空间望远镜第22、23、24周期内，利用ACS/WFC与WFC3/IR相机，在集群场与并行空白场共执行840个轨道的深度HST观测。
• 获取了超过1000小时的斯皮策空间望远镜IRAC 3.6与4.5微米观测数据，达到5σ点源深度约26.5与26.0 AB星等。
• 在并行场中，于七个光学与近红外波段达到约29 AB星等的5σ点源深度，使其成为迄今第二深的HST观测。
• 协调开展透镜建模工作（如GLAFIC、CATS、Merten & Zitrin、Diego等团队），生成公开的、非专有的质量与放大率图。
• 结合HST与斯皮策数据，实现高红移星系的光度红移测量、星族合成建模与形态学分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用引力透镜放大效应，在早期宇宙（z > 6）中可探测到的最暗淡星系的固有星等下限是多少？
• RQ2 如何利用大质量星系团的强透镜效应，实现比空白天空场更深度的观测？
• RQ3 Frontier Fields数据对再电离时期星系光度函数暗端施加了何种约束？
• RQ4 利用强弱透镜模型，能否高精度地绘制出大质量星系团中暗物质的分布？
• RQ5 在高度放大的透镜场区域中，可探测到哪些瞬变现象（如超新星）？

主要发现

• Frontier Fields并行场在七个光学与近红外波段达到约29 AB星等的5σ点源深度，使其成为迄今第二深的HST观测。
• 位于临界曲线区域的星系团透镜后方星系被放大了10–100倍，使可探测的固有星等暗至30–33 AB星等。
• 该调查探测到了再电离时期（6 < z < 10）中比以往任何观测都更暗的星系，其固有光度低于M_UV ≈ -15星等。
• 公开的透镜模型与数据已通过米库利斯空间望远镜档案（MAST）与美国宇航局/喷气推进实验室红外科学档案馆发布。
• 已有超过70篇经同行评审的论文及多场会议报告基于Frontier Fields数据，涵盖高红移星系、暗物质图与瞬变事件。
• 完整数据集对z > 6时星系光度函数暗端斜率提供了强有力的统计约束，如Robertson等人（2015）所展示。