[论文解读] The ALMA Frontier Fields survey I: 1.1 mm continuum detections in Abell 2744, MACSJ0416.1-2403 and MACSJ1149.5+2223

Jorge González-López, F. E. Bauer+22 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Jul 13, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 64被引用 21

一句话总结

本研究首次通过ALMA前沿星场巡天，在三个大质量星系团中利用深亚毫米波成像与强引力透镜效应，探测到12个在1.1 mm波段的尘埃遮蔽型星系形成星系（DSFGs），其流量低于亚毫焦耳（sub-mJy）水平。结果表明，经过透镜效应校正后的这些暗淡源的大小与更明亮的DSFGs一致，但分散度更大，暗示其中相当一部分可能比其更明亮的对应体更为扩展。

ABSTRACT

Dusty star-forming galaxies are among the most prodigious systems at high redshift (z>1), characterized by high star formation rates and huge dust reservoirs. The bright end of this population has been well characterized in recent years, but considerable uncertainties remain for fainter dusty star-forming galaxies, which are responsible for the bulk of star formation at high redshift and thus play a key role in galaxy growth and evolution. In this first paper of our series, we describe our methods for finding high redshift faint dusty galaxies using millimeter observations with ALMA. We obtained ALMA 1.1 mm mosaic images for three strong-lensing galaxy clusters from the Frontier Fields survey. The 2'x2' mosaics overlap with the deep HST WFC3/IR footprints and encompass the high magnification regions of each cluster. The combination of extremely high ALMA sensitivity and the magnification power of these clusters allows us to systematically probe the sub-mJy population of dusty star-forming galaxies over a large surveyed area. We present a description of the reduction and analysis of the ALMA continuum observations for the galaxy clusters Abell 2744 (z=0.308), MACSJ0416.1-2403 (z=0.396) and MACSJ1149.5+2223 (z=0.543), for which we reach observed rms sensitivities of 55, 59 and 71 $μ$Jy beam$^{-1}$ respectively. We detect 12 dusty star-forming galaxies at S/N>5.0 across the three clusters, all of them presenting coincidence with NIR detected counterparts in the HST images. None of the sources fall close to the lensing caustics, thus they are not strongly lensed. The observed 1.1 mm flux densities for the total sample of galaxies range from 0.41 to 2.82 mJy, with observed effective radii spanning <0.05" to 0.37"$\pm$0.21". The lensing-corrected sizes of the detected sources appear to be in the same range as those measured in brighter samples, albeit with possibly larger dispersion.

研究动机与目标

• 利用ALMA的深1.1 mm连续谱观测，系统探测高红移尘埃遮蔽型星系（DSFGs）的暗淡亚毫焦耳（sub-mJy）群体。
• 利用三个前沿星场星系团（阿贝尔2744、MACSJ0416.1-2403、MACSJ1149.5+2223）的强引力透镜效应，提升灵敏度并探测更暗的源。
• 在扣除透镜放大效应后，表征这些高红移DSFGs的本征物理性质——尤其是流量密度和有效半径。
• 评估亚毫米波与近红外辐射的空间共位性，以验证源的关联性与天体测量一致性。
• 探究暗淡DSFG群体是否在结构上（如大小分布）与更明亮、已充分研究的DSFGs存在差异。

提出的方法

• 利用ALMA在三个强透镜星系团中心约2′ × 2′的区域获取1.1 mm连续谱拼接图像，与深场HST WFC3/IR数据重叠。
• 在阿贝尔2744、MACSJ0416.1-2403和MACSJ1149.5+2223三个场中，分别达到55、59和71 μJy beam⁻¹的观测均方根灵敏度，灵敏度差异源于观测条件与遮挡影响。
• 通过自然加权图使用S/N ≥ 5.0的标准识别出12个源，所有源均有对应的HST F160W对应体。
• 利用uvmcmcfit代码在uv平面中拟合二维高斯模型，估算每个探测源在1.1 mm波段的总流量密度与角大小。
• 应用透镜放大模型（来自CATS、Merten & Zitrin、Sharon、Williams、GLAFIC与Diego团队），对无光谱红移的源假设z = 2，以推导其本征（去放大）的流量与大小。
• 评估ALMA与HST位置之间的天体测量偏移，发现典型散差约为0.1′′，在A2744场中可能存在约0.13′′的赤纬方向偏移，提示部分源存在真实的空间偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 在扣除引力透镜放大效应后，暗淡尘埃遮蔽型星系（亚毫焦耳源）在高红移下的本征大小分布如何？
• RQ2 亚毫焦耳DSFGs的物理性质（流量密度、大小）与更明亮、先前研究充分的DSFGs相比有何异同？
• RQ3 在这些高红移源中，亚毫米波辐射与近红外辐射的空间共位性如何？
• RQ4 单个源中，亚毫米波与光学辐射峰值之间是否存在显著空间偏移？这可能对遮蔽型恒星形成意味着什么？
• RQ5 ALMA 1.1 mm观测在前沿星场星系团高放大区域的灵敏度与动态范围如何？其如何实现对暗淡DSFGs的探测？

主要发现

• 该巡天在三个星系团中探测到12个1.1 mm波段S/N ≥ 5.0的尘埃遮蔽型星系形成星系，所有源均有清晰的HST F160W对应体。
• 观测到的1.1 mm流量密度范围为0.411至2.816 mJy，观测到的有效半径在~0.′′05至0.′′37 ± 0.′′21之间。
• 在扣除透镜放大效应（μ ≈ 1.5–4.2）后，探测源的本征（去放大）大小与更明亮DSFGs一致，但分散度更大。
• 约三分之二的源在去放大后的大小比更明亮DSFGs的平均大小大至少1.6倍，提示可能存在一个更扩展的暗淡源群体。
• ALMA与HST位置之间的天体测量偏移平均较小（~0.1′′），表明亚毫米波与光学辐射共位良好，尽管在A2744场中注意到可能存在约0.13′′的赤纬方向偏移。
• A2744-ID02在峰值亚毫米波与近红外辐射之间表现出约0.′′5（源平面中约4 kpc）的显著空间偏移，表明可能存在空间分辨的、高度遮蔽的恒星形成。