[论文解读] Statistical constraints on the IR galaxy number counts and cosmic IR background from the Spitzer GOODS survey

Richard S. Savage, Seb Oliver|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2005

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究基于马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法对斯皮兹勒 GOODS巡天数据进行涨落分析，将近红外星系数目密度约束至10⁻⁸ Jy，揭示其在该深度存在显著超出Fazio等人（2004年）外推结果的过剩。该研究表明，涨落分析可解释绝大部分3.6 μm宇宙红外背景，解决了背景光的大部分来源，并与先前的背景测量结果保持一致，同时突显了通量定标中的系统性偏差。

ABSTRACT

We perform fluctuation analyses on the data from the Spitzer GOODS survey (epoch one) in the Hubble Deep Field North (HDF-N). We fit a parameterised power-law number count model of the form dN/dS = N_o S^{-δ} to data from each of the four Spitzer IRAC bands, using Markov Chain Monte Carlo (MCMC) sampling to explore the posterior probability distribution in each case. We obtain best-fit reduced chi-squared values of (3.43 0.86 1.14 1.13) in the four IRAC bands. From this analysis we determine the likely differential faint source counts down to $10^{-8} Jy$, over two orders of magnitude in flux fainter than has been previously determined. From these constrained number count models, we estimate a lower bound on the contribution to the Infra-Red (IR) background light arising from faint galaxies. We estimate the total integrated background IR light in the Spitzer GOODS HDF-N field due to faint sources. By adding the estimates of integrated light given by Fazio et al (2004), we calculate the total integrated background light in the four IRAC bands. We compare our 3.6 micron results with previous background estimates in similar bands and conclude that, subject to our assumptions about the noise characteristics, our analyses are able to account for the vast majority of the 3.6 micron background. Our analyses are sensitive to a number of potential systematic effects; we discuss our assumptions with regards to noise characteristics, flux calibration and flat-fielding artifacts.

研究动机与目标

• 在直接探测受限于混淆噪声的水平下，约束斯皮兹勒GOODS巡天中暗淡红外星系的微分数目密度，下探至10⁻⁸ Jy以下的通量水平。
• 通过统计涨落分析，确定未解析的暗淡星系对宇宙红外背景（CIRB）的贡献。
• 评估推断出的数目密度与先前直接测量结果及背景光估计的一致性。
• 研究可能影响推断数目密度和背景光的系统性效应，如通量定标误差、噪声建模及平场校正伪影。

提出的方法

• 在斯皮兹勒IRAC数据的四个波段（3.6、4.5、5.8、8 μm）上应用参数化的幂律数目密度模型，dN/dS = N₀S⁻ᵟ。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样方法探索模型参数的完整后验概率分布，实现稳健的不确定性估计，且无需假设误差分布为高斯分布。
• 对图像的空间方差进行涨落分析，从源混淆中提取统计信息，将混淆噪声视为对潜在源群体的探测手段。
• 将观测到的通量涨落功率谱与泊松分布点源的理论模型进行拟合，以推断低于混淆极限的数目密度。
• 将推断出的数目密度与Fazio等人（2004年）的直接测量结果进行比较，以评估差异及其影响。
• 通过结合Fazio等人（2004年）的已解析贡献与涨落分析的未解析贡献，估算总积分背景光。

实验结果

研究问题

• RQ1 斯皮兹勒GOODS巡天中通量低于10⁻⁸ Jy的红外星系数密度的统计约束为何？
• RQ2 涨落分析在多大程度上能解释3.6 μm波段观测到的宇宙红外背景？与直接测量结果相比如何？
• RQ3 为何涨落分析推断出的数目密度与Fazio等人（2004年）报告的直接计数存在系统性差异？可能的原因是什么？
• RQ4 结果对通量定标、噪声建模和平场校正伪影等系统性效应的敏感性如何？
• RQ5 推断出的数目密度过剩是否与Kashlinsky等人（2005年）最近报告的宇宙红外背景过剩一致？

主要发现

• 本研究将近红外星系数目密度约束至10⁻⁸ Jy，使先前测量的动态范围在通量上扩展了两个多数量级。
• 幂律模型在四个IRAC波段上的最优拟合减少卡方值分别为（3.43，0.86，1.14，1.13），表明大多数波段的拟合效果良好。
• 涨落分析揭示了暗淡星系数密度系统性超出Fazio等人（2004年）外推结果，提示可能存在约50%的通量定标偏差或源群体本身的内在差异。
• 该分析解释了绝大部分3.6 μm宇宙红外背景，结果与Dwek与Arendt（1998年）、Gorjian等人（2000年）、Wright与Reese（2000年）以及Matsumoto等人（2005年）的先前估计一致。
• 通过结合Fazio等人（2004年）的已解析贡献与涨落分析的未解析贡献，估算出每个IRAC波段的总积分背景光，确认超过一半的背景光已被解析。
• 结果与Kashlinsky等人（2005年）报告的背景过剩一致，两份研究均发现显著超出外推数目密度的过剩，尽管该过剩的物理解释仍待澄清。