[论文解读] ISO deep far-infrared survey in the "Lockman Hole" II. Power spectrum analysis: evidence of a strong evolution in number counts

Hideo Matsuhara, Kimiaki Kawara+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2000

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用ISO/ISOPHOT在90和170 μm波段对洛克曼空穴区域的亚毫米波亮度涨落进行分析，发现功率谱在低空间频率下呈平坦特性，与星际卷云发射不一致。结果表明，红移z < 1的暗淡星形成星系主导了这些涨落，揭示了在35 mJy（90 μm）和60 mJy（170 μm）水平下星系数量密度的强烈演化，这些源对宇宙红外背景（CIB）有显著贡献。

ABSTRACT

We investigate the characteristics of FIR brightness fluctuations at 90 micron and 170 micron in the Lockman Hole, which were surveyed with ISOPHOT aboard the Infrared Space Observatory(ISO). We first calculated the angular correlation function of each field and then its Fourier transform(the angular Power Spectral Density: PSD) over the spatial frequency range of f=0.05 - 1 arcmin^-1. The PSDs are found to be rather flat at low spatial frequencies (f &lt;= 0.1 arcmin^-1), slowly decreasing toward higher frequencies. These spectra are unlike the power-law ones seen in the IR cirrus fluctuations, and are well explained by randomly distributed point sources. Furthermore, point-to-point comparison between 90 micron and 170 micron brightness shows a linear correlation between them, and the slope of the linear fit is much shallower than that expected from the IR cirrus color, and is consistent with the color of galaxies at low or moderate redshift(z &lt; 1). We conclude that the brightness fluctuations in the Lockman Hole are not caused by the IR cirrus, but are most likely due to faint star-forming galaxies. We also give the constraints on the galaxy number counts down to 35 mJy at 90 micron and 60 mJy at 170 micron, which indicate the existence of a strong evolution down to these fluxes in the counts. The galaxies responsible for the fluctuations also significantly contribute to the cosmic infrared background radiation.

研究动机与目标

• 确定洛克曼空穴中远红外亮度涨落的起源，该区域消光较低，适合深度巡天。
• 区分由星际卷云发射引起的涨落与未解析的河外源引起的涨落。
• 通过功率谱分析，约束90 μm处35 mJy及170 μm处60 mJy以下的暗淡红外星系的星源数量密度。
• 评估这些暗淡星系对宇宙红外背景（CIB）的贡献。
• 通过多波段颜色分析，研究涨落源的红移和光谱能量分布（SED）特征。

提出的方法

• 对空间频率f = 0.05–1 arcmin⁻¹范围内的ISOPHOT 90 μm和170 μm图像进行功率谱密度（PSD）分析。
• 计算角相关函数，随后通过傅里叶变换获得PSD。
• 将观测到的PSD与红外卷云（幂律指数~3）和随机分布点源的理论模型进行比较。
• 通过90 μm与170 μm波段亮度涨落的互相关分析，推断源的SED和红移。
• 在明亮源周围进行遮蔽处理，以隔离来自暗淡未解析星系的涨落功率。
• 在假设涨落完全由离散源引起的基础上，从涨落幅度外推星源数量密度的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 洛克曼空穴中的远红外亮度涨落主要源于星际卷云还是未解析的河外源？
• RQ2 功率谱的空间频率依赖性如何？与卷云发射预期的谱型有何不同？
• RQ3 在90 μm处35 mJy和170 μm处60 mJy的流量水平下，星源数量密度的约束为何？这些约束对源演化意味着什么？
• RQ4 通过90 μm/170 μm颜色推断的涨落源红移分布如何？
• RQ5 这些暗淡未解析星系的总光贡献了多少宇宙红外背景（CIB）？

主要发现

• FIR涨落的功率谱密度（PSD）在低空间频率（f ≤ 0.1 arcmin⁻¹）下呈平坦特性，且在高频区域缓慢下降，与红外卷云预期的陡峭幂律谱不一致。
• 观测到的PSD形状最符合随机分布点源的解释，表明涨落主要由未解析星系而非弥散卷云发射主导。
• 90 μm与170 μm亮度涨落之间存在强线性相关性，其斜率远小于卷云预期值，与低至中等红移（z < 1）星形成星系一致。
• 星源数量密度已约束至90 μm处35 mJy和170 μm处60 mJy，其数量密度急剧上升，表明在这些流量水平下红外星系的数密度存在强烈演化。
• 这些暗淡星系贡献了5–40%的宇宙红外背景（CIB），在90 μm处CIB积分亮度为0.09–0.30 MJy/sr，在170 μm处为0.053–0.15 MJy/sr（高于流量极限的源）。
• 结果表明，CIB的大部分并非来自明亮且可解析的源，而是来自低于混淆极限的暗淡演化星系群体。