[论文解读] Planck's Dusty GEMS. III. A massive lensing galaxy with a bottom-heavy stellar initial mass function at z=1.5

R. Cañameras, N. P. H. Nesvadba+9 more|UA Campus Repository (The University of Arizona)|Mar 8, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 42被引用 12

一句话总结

本研究利用引力透镜质量测量，首次在 z=1.5 的大质量高红移星系中直接提供了初始质量函数（IMF）呈底重化的直接证据。通过结合 ALMA 和 VLT 数据，透镜星系的质量（3.70±0.35×10¹¹ M☉）与 Salpeter IMF 匹配，但与 Chabrier IMF 不符，表明低质量恒星数量不足，支持早期大质量星系中湍流气体碎片化模型。

ABSTRACT

We study the properties of the foreground galaxy of the Ruby, the brightest gravitationally lensed high-redshift galaxy on the sub-millimeter sky as probed by the Planck satellite, and part of our sample of Planck's Dusty GEMS. The Ruby consists of an Einstein ring of 1.4" diameter at z = 3.005 observed with ALMA at 0.1" resolution, centered on a faint, red, massive lensing galaxy seen with HST/WFC3, which itself has an exceptionally high redshift, z = 1.525 $\pm$ 0.001, as confirmed with VLT/X-Shooter spectroscopy. Here we focus on the properties of the lens and the lensing model obtained with LENSTOOL. The rest-frame optical morphology of this system is strongly dominated by the lens, while the Ruby itself is highly obscured, and contributes less than 10% to the photometry out to the K band. The foreground galaxy has a lensing mass of (3.70 $\pm$ 0.35) $ imes$ 10$^{11}$ M$_{\odot}$. Magnification factors are between 7 and 38 for individual clumps forming two image families along the Einstein ring. We present a decomposition of the foreground and background sources in the WFC3 images, and stellar population synthesis modeling with a range of star-formation histories for Chabrier and Salpeter initial mass functions (IMFs). Only the stellar mass range obtained with the latter agrees well with the lensing mass. This is consistent with the bottom-heavy IMFs of massive high-redshift galaxies expected from detailed studies of the stellar masses and mass profiles of their low-redshift descendants, and from models of turbulent gas fragmentation. This may be the first direct constraint on the IMF in a lens at z = 1.5, which is not a cluster central galaxy.

研究动机与目标

• 利用引力透镜方法独立于 IMF 假设，测量 z=1.5 高红移透镜星系的恒星质量。
• 通过将透镜质量与星族合成模型比较，检验不同初始质量函数（IMF）——Chabrier 与 Salpeter——的有效性。
• 在非星系团环境下的大质量高红移星系中约束 IMF，解决早期宇宙时期 IMF 形状长期存在的不确定性。
• 探讨底重化 IMF 对星暴星系演化模型与反馈过程的影响。

提出的方法

• 使用 LENSTOOL 进行引力透镜建模，基于背景源（Ruby）在 z=3.005 的爱因斯坦环几何结构与多重像位置，推导透镜质量。
• 对 WFC3/F160W 与 F110W 光度数据进行星族合成建模，推导前景透镜星系的恒星质量与质量-光度比。
• 对 WFC3 图像进行谱谱能量分布（SED）分解，分离透镜星系与背景源的贡献，结合 VLT/X-Shooter 光谱数据施加约束。
• 将透镜质量与基于 Chabrier 和 Salpeter IMF 推导出的恒星质量估计进行比较，识别最符合观测质量的 IMF。
• 利用 ALMA CO(4→3) 无线电线数据确认背景源的红移与运动学特性，支持透镜模型。
• 评估背景源在 WFC3 波段（特别是 F160W 与 F110W 滤波器）中的污染影响，确保透镜质量推导的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 z=1.5 星系的透镜质量是否与基于 Chabrier 或 Salpeter IMF 推导出的恒星质量估计一致？
• RQ2 基于独立的质量测量，该大质量高红移星系的恒星初始质量函数（IMF）形状如何？
• RQ3 透镜质量与 SED 拟合得到的恒星质量相比如何？这对 IMF 有何含义？
• RQ4 观测到的透镜质量能否由标准 Chabrier IMF 解释，还是需要采用底重化 IMF？
• RQ5 底重化 IMF 对高红移星暴星系演化模型与反馈过程有何影响？

主要发现

• 前景星系的透镜质量测量结果为 (3.70±0.35)×10¹¹ M☉，基于爱因斯坦环几何结构与多重像位置推导得出。
• 基于 Salpeter IMF（α = -2.35）推导出的恒星质量与透镜质量一致，而 Chabrier IMF 的预测值低约两倍。
• 透镜在 K 波段贡献不足 10%，Ruby 在 WFC3 波段仅贡献 15%，显著降低了质量估计中的污染影响。
• ALMA 未检测到显著尘埃连续谱，排除了存在 >10⁹ M☉ 冷气体质量的可能性，支持恒星质量主导透镜质量的结论。
• 该结果首次在非星系团环境下的大质量高红移星系（z=1.5）中，直接约束了底重化 IMF，支持 Salpeter 或更陡的 IMF。
• 研究结果支持湍流气体碎片化导致底重化 IMF 的模型，并对需要顶重化 IMF 才能匹配高红移星系质量函数的半分析模型构成挑战。