[论文解读] The ALMA Frontier Fields Survey - IV. Lensing-corrected 1.1 mm number counts in Abell 2744, MACSJ0416.1-2403 and MACSJ1149.5+2223

A. Muñoz-Arancibia, Jorge González-López+16 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究利用多模型引力透镜模拟，对三个ALMA前沿星系团场（阿贝尔2744、MACSJ0416.1-2403 和 MACSJ1149.5+2223）中的尘埃遮蔽星系形成星系进行了1.1 mm波段的透镜校正数目密度测量，将本征通量密度推算至约2.5 μJy，发现在0.1 mJy以下的数目密度出现平坦化趋势，暗示亚毫焦耳（sub-mJy）源的暗端可能存在拐点。

ABSTRACT

[abridged] Characterizing the number counts of faint, dusty star-forming galaxies is currently a challenge even for deep, high-resolution observations in the FIR-to-mm regime. They are predicted to account for approximately half of the total extragalactic background light at those wavelengths. Searching for dusty star-forming galaxies behind massive galaxy clusters benefits from strong lensing, enhancing their measured emission while increasing spatial resolution. Derived number counts depend, however, on mass reconstruction models that properly constrain these clusters. We estimate the 1.1 mm number counts along the line of sight of three galaxy clusters, i.e. Abell 2744, MACSJ0416.1-2403 and MACSJ1149.5+2223, which are part of the ALMA Frontier Fields Survey. We perform detailed simulations to correct these counts for lensing effects. We use several publicly available lensing models for the galaxy clusters to derive the intrinsic flux densities of our sources. We perform Monte Carlo simulations of the number counts for a detailed treatment of the uncertainties in the magnifications and adopted source redshifts. We find an overall agreement among the number counts derived for the different lens models, despite their systematic variations regarding source magnifications and effective areas. Our number counts span ~2.5 dex in demagnified flux density, from several mJy down to tens of uJy. Our number counts are consistent with recent estimates from deep ALMA observations at a 3$σ$ level. Below $\approx$ 0.1 mJy, however, our cumulative counts are lower by $\approx$ 1 dex, suggesting a flattening in the number counts. In our deepest ALMA mosaic, we estimate number counts for intrinsic flux densities $\approx$ 4 times fainter than the rms level. This highlights the potential of probing the sub-10 uJy population in larger samples of galaxy cluster fields with deeper ALMA observations.

研究动机与目标

• 利用深度ALMA观测估算三个大质量星系团中尘埃遮蔽星系形成星系的1.1 mm数目密度。
• 通过使用多个独立的透镜模型，对观测到的数目密度进行引力透镜放大效应校正，以推导出本征源通量密度。
• 探测银河系背景辐射在亚毫米波段中亚毫焦耳源的暗端分布。
• 通过蒙特卡洛模拟评估透镜质量模型和源红移不确定性对数目密度估计的影响，以检验其稳健性。
• 判断观测到的数目密度在通量密度低于0.1 mJy时是否表现出拐点或平坦化趋势。

提出的方法

• 从S/N ≥ 4.5的ALMA 1.1 mm连续谱观测中构建源表，包含S/N ≥ 5的检测源和S/N在4.5至5之间的边缘检测源。
• 应用多个公开的透镜模型（CATS v4、Merten & Zitrin、Sharon、Williams等）估算放大因子，并对观测通量密度进行去放大处理。
• 通过蒙特卡洛模拟将放大因子和源红移的不确定性传播至数目密度估计中。
• 利用基于模拟的去混淆和检测效率建模，对完备性和虚假源比例进行校正。
• 将三个星系团的数据合并，获得总观测面积约为14平方角分，最详细的模型中有效源平面面积缩小约2.6倍。
• 采用微分和累积数目密度分析方法，将结果与近期深度ALMA巡天进行比较，并在3σ水平上评估一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在对引力透镜放大效应进行校正后，三个ALMA前沿星系团场中尘埃遮蔽星系形成星系的本征1.1 mm数目密度分布如何？
• RQ2 在透镜质量模型和源红移假设变化的情况下，所推导的数目密度具有多大稳健性？
• RQ3 数目密度是否在通量密度低于0.1 mJy时表现出平坦化或拐点趋势，提示亚毫焦耳源暗端可能存在未被完全探测的群体？
• RQ4 ALMA在星系团场中的观测能在多大程度上探测低于均方根噪声水平的通量密度？通过引力透镜效应，灵敏度可有效提升多少？
• RQ5 与近期深度ALMA巡天相比，所推导的数目密度在统计一致性方面如何？在暗端是否存在潜在差异？

主要发现

• 透镜校正后的微分数目密度覆盖了约2.5个数量级的去放大通量密度，从数毫焦耳每秒（mJy）降至数十微焦耳每秒（μJy），在源平面上的检测下限可达约2.5 μJy。
• 尽管不同透镜模型在放大因子和有效面积上存在系统性差异，但各星系团场的数目密度在不确定性范围内总体一致。
• 微分和累积数目密度在毫焦耳至亚毫焦耳范围内与近期深度ALMA巡天结果在3σ置信水平上保持一致。
• 在约0.1 mJy以下，累积数目密度比以往估计值低约1个数量级，表明在暗端数目密度分布可能存在平坦化或潜在拐点。
• 分析表明，ALMA星系团场的拼接图像可将本征通量密度探测深度提升至本地均方根噪声水平的四倍，凸显强引力透镜在深度亚毫焦耳巡天中的强大潜力。
• 结果表明，未来ALMA观测若能达到约10 μJy的均方根水平，可在这些场中探测到本征通量密度低至约2.5 μJy的源，从而实现对亚毫焦耳暗端群体更完整的普查。