[论文解读] MUSE integral-field spectroscopy towards the Frontier Fields cluster Abell S1063: II. Properties of low luminosity Lyman alpha emitters at z>3

W. Karman, K. I. Caputi+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 155被引用 39

一句话总结

本研究结合MUSE积分场光谱与阿贝尔S1063星系团场外深空强引力透镜效应，识别并表征了14个红移z > 3的本征暗淡莱曼-α发射体（LAEs）。这些星系表现出极低的恒星质量（10⁶–10⁸ M⊙）、极年轻的年龄（1–100 Myr）、极高的比恒星形成速率（~100 Gyr⁻¹）以及较低的尘埃含量，使其成为可能驱动宇宙再电离的星系的理想类比。

ABSTRACT

In spite of their conjectured importance for the Epoch of Reionization, the properties of low-mass galaxies are currently still under large debate. In this article, we study the stellar and gaseous properties of faint, low-mass galaxies at z>3. We observed the Frontier Fields cluster Abell S1063 with MUSE over a 2 arcmin^2 field, and combined integral-field spectroscopy with gravitational lensing to perform a blind search for intrinsically faint Lya emitters (LAEs). We determined in total the redshift of 172 galaxies of which 14 are lensed LAEs at z=3-6.1. We increased the number of spectroscopically-confirmed multiple-image families from 6 to 17 and updated our gravitational-lensing model accordingly. The lensing-corrected Lya luminosities are with L(Lya) <= 10^41.5 erg/s among the lowest for spectroscopically confirmed LAEs at any redshift. We used expanding gaseous shell models to fit the Lya line profile, and find low column densities and expansion velocities. This is to our knowledge the first time that gaseous properties of such faint galaxies at z>=3 are reported. We performed SED modelling to broadband photometry from the U-band through the infrared to determine the stellar properties of these LAEs. The stellar masses are very low (10^{6-8} Msun), and are accompanied by very young ages of 1-100 Myr. The very high specific star formation rates (~100 Gyr^-1) are characteristic of starburst galaxies. The UV-continuum slopes beta are low in our sample, with beta<-2 for all galaxies with M_star<10^8 Msun. We conclude that our low-mass galaxies at 3<z<6 are forming stars at higher rates when correcting for stellar mass effects than seen locally or in more massive galaxies. The young stellar populations with high star-formation rates and low HI column densities lead to continuum slopes and LyC-escape fractions expected for a scenario where low mass galaxies reionise the Universe.

研究动机与目标

• 在深度、透镜增强的场中识别并光谱确认低光度莱曼-α发射体（LAEs）在z > 3红移处。
• 利用SED建模与莱曼-α线轮廓拟合，测量这些暗淡、低质量星系的恒星与气体性质。
• 通过分析其恒星形成与电离光子逃逸分数特性，评估低质量星系在再电离时期的作用。
• 通过识别17组多重像（包括11组此前未确认的）来改进引力透镜模型。
• 确定这些暗淡LAEs是否表现出有利于莱曼连续谱光子逃逸的条件，这是再电离的关键要求。

提出的方法

• 在阿贝尔S1063星系团中心区域开展深度MUSE积分场光谱观测，覆盖2平方角分的区域，利用强引力透镜效应放大遥远高红移源。
• 进行盲光谱搜寻莱曼-α发射线，识别出14个透镜化LAEs，红移范围3 < z < 6.1，均获光谱确认。
• 利用17组多重像（其中11组为新确认）更新引力透镜模型，实现对莱曼-α光度的精确透镜放大校正。
• 采用球对称膨胀气体壳层模型拟合莱曼-α线轮廓，推断气体动力学、柱密度与膨胀速度。
• 结合U波段至IRAC（斯皮兹曼）波段的测光数据，以及HST/CLASH与HAWK-I数据，进行SED拟合以获取恒星种群性质。
• 使用SED建模结合恒星种群合成模型（如CIGALE）推导恒星质量、年龄、紫外斜率（β）与E(B-V)，并进行包含电离气体连续谱的敏感度测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过透镜校正后的光谱，这些暗淡、低质量的莱曼-α发射体在z > 3时的本征恒星与气体性质是什么？
• RQ2 这些暗淡LAEs的莱曼-α线轮廓与更明亮或更质量更大的星系相比如何？它们揭示了何种气体动力学与覆盖因子信息？
• RQ3 这些低质量LAEs在多大程度上表现出与高效电离光子逃逸相关的特征（如低尘埃、高SFR、蓝紫外斜率），而这是再电离所必需的？
• RQ4 在这些暗淡系统中，莱曼-α线膨胀速度是否与恒星形成速率或恒星质量存在相关性？
• RQ5 基于其观测性质，这些暗淡LAEs是否可代表主导再电离过程的星系群体？

主要发现

• 14个LAEs经透镜校正后的莱曼-α光度为迄今在z > 3红移下光谱确认中最暗的，LLyα ≲ 10⁴¹.⁵ erg/s。
• 莱曼-α线轮廓最佳拟合为低柱密度（N_HI ≲ 10²⁰ cm⁻²）且低至中等膨胀速度（v_exp ≲ 100 km/s）的气体壳层，表明存在低对比度或不连续的外流。
• 恒星质量极低，介于10⁶至10⁸ M⊙之间，年龄仅为1–100 Myr，表明恒星形成活动极为近期。
• 比恒星形成速率（sSFR）异常高（~100 Gyr⁻¹），意味着这些星系在≤20 Myr内即可使恒星质量翻倍。
• 所有M⋆ < 10⁸ M⊙的星系UV连续谱斜率β < −2，为迄今观测到最蓝的之一，接近年轻、低金属丰度星族的理论极限。
• 低尘埃、高sSFR、蓝β与窄莱曼-α线的组合表明，这些星系极可能是莱曼连续谱光子逃逸的理想候选者，支持其在宇宙再电离中的作用。