Identification of Sources in MAMBO 1.2mm Deep Fields

Seit Winter 1998/1999 führen Gruppen am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) und dem National Radio Astronomy Observatory (NRAO) bei 1.2 mm eine tiefe, große Gebiete abdeckende Himmelsdurchmusterung mit dem Max-Planck-Millimeter Bolometer Array ("MAMBO") am IRAM 30-m Millimeterteleskop durch, um eine signifikante Anzahl von hellen mm-Quellen zu detektieren. Diese Quellen sind höchstwahrscheinlich staubreiche Galaxien bei hoher Rotverschiebung mit Sternentstehungsraten von bis zu einigen Tausend Sonnenmassen pro Jahr. Kosmologisch gesehen sind sie hochinteressant, da sie signifikant zum extragalaktischen kosmischen Hintergrund, d.h. zur Stern- und Galaxienentwicklungsgeschichte des Universums, beitragen. Zum Verständnis ihrer Natur sind Identifikationen mit Hilfe tiefer optischer und Nahinfrarotaufnahmen essentiell. Aufgrund der geringen Winkelauflösung des IRAM 30-m Millimeterteleskopes (10.7") ist eine eindeutige Identifikation der mm-Quellen, die nur auf Bolometerdaten basiert, unmöglich. Deshalb ist die mm- und cm-Interferometrie ein Schlüsselelement in der Nachbeobachtung dieser staubhaltigen, hochrotverschobenen Quellen. Unsere Identifikationsstrategie basiert auf der Kombination von radio- (VLA) und millimeter- (PdBI) interferometrischen Beobachtungen, um die genauen Positionen der mm-Quellen zu bestimmen, und optischen/Nahinfrarotaufnahmen zur eigentlichen Identifikation. Ziel dieser Arbeit ist die Identifizierung und Charakterisierung der Quellen der mm-Strahlung, fokussierend auf das auf der südlichen Himmelskugel gelegene NTT Deep Field und seine Umgebung. Im Winter 2000/2001 wurden mit dem mm-Interferometer PdBI Beobachtungen durchgeführt, um exakte Flüsse und Positionen von einigen der hellsten MAMBO-Quellen bestimmen zu können. Vier wurden erfolgreich auf einem 5sigma-Niveau mit dem PdBI detektiert. Für alle PdBI-Detektionen konnten auch schwache Radiogegenstücke detektiert werden. Interessanterweise offenbarten die Positionen, die durch die interferometrischen Beobachtungen exakt bestimmt werden konnten, dass keine dieser MAMBO-Quellen ein Gegenstück im Nahinfraroten bis zu sehr schwachen Magnituden besitzt (K~22.0 mag). Diese tiefen K-Band Grenzen der helleren 1.2 mm MAMBO-Quellen setzen strikte Beschränkungen hinsichtlich der Natur und Rotverschiebung dieser Objekte: Falls die spektrale Energieverteilung der mm-Quellen denen der ultraleuchtkräftigen Infrarotgalaxien (ULIRGs) ähnelt, dann müssten sie bei Rotverschiebungen größer als 4 liegen, was einem Zeitpunkt von etwa 1.5 Mrd Jahren nach dem Urknall entspricht. Andernfalls könnten sie bei niedrigeren Rotverschiebungen sein, müssten jedoch UV-optische Farben besitzen, die röter sind als selbst die der extremsten ULIRGs, wie zum Beispiel Arp 220. Unsere Analyse basierend auf nahinfrarot/radio/(sub)mm Daten zeigt, dass es einen Trend zwischen den Flussverhältnissen nahinfrarot-zu-submm und radio-zu-submm gibt. Dieses Ergebnis deutet daraufhin, dass die geringe Helligkeit im K-band von unseren PdBI-Detektionen in erster Linie auf die hohe Rotverschiebung dieser Objekte zurückzuführen ist. Durch eine Korrelation zwischen Radioquellen, die sich nahe der nominalen mm-Position befinden und unseren tiefen optischen/Nahinfrarotaufnahmen konnte die Anzahl von sicher identifizierten MAMBO mm-Quellen auf 18 signifikant erhöht werden. Für 13 1.2 mm-Quellen wurden optische/ NIR Gegenstücke gefunden, deren K-band Magnituden zwischen 19 und 22.5 liegen. Fünf MAMBO-Quellen sind "Blank Fields" und sind schwächer als K > 22 mag. Basierend auf dem radio/mm Spektralindex, wurde der Median der Rotverschiebung der radio-identifizierten mm-Quellen berechnet: z~2.6. Der Median der optischen/NIR photometrischen Rotverschiebung für mm-Quellen mit einem Gegenstück ist ~2.1. Dies weist daraufhin, dass die radio-identifizierten mm-Quellen ohne einem optischen/NIR Gegenstück dazu tendieren, bei höheren Rotverschiebungen als die mit optischen/NIR Gegenstücken zu liegen. Ein Vergleich mit publizierten Identifikationen von Objekten aus 850 micrometer-Durchmusterungen (SCUBA) von vergleichbarer Tiefe zeigt, dass die K- und I-Magnituden unserer Gegenstücke etwa 2 mag schwächer sind und die Dispersion der I-K Farbe geringer ist. Tatsächliche Unterschiede im Median der Rotverschiebungen, verbleibende falsche Identifikationen mit hellen Quellen, kosmische Variationen und statistisch kleine Proben tragen höchstwahrscheinlich zu dem signifikanten Unterschied bei, welcher auch die Strategie zur Messung von Rotverschiebungen beeinflusst. In dieser Arbeit werden die Eigenschaften von NIR/(sub)mm/radio spektraler Energieverteilungen unserer Galaxien und von interferometrisch identifizierten submm- Quellen aus der Literatur diskutiert. Basierend auf einem Vergleich mit submm-Quellen mit durch CO-Messungen bestätigten spektroskopischen Rotverschiebungen argumentieren wir, dass etwa zwei Drittel der (sub)mm Galaxien bei einer Rotverschiebung höher als 2.5 liegen. Wahrscheinlich ist dieser Anteil höher, wenn Quellen ohne radio-Detektion hinzugenommen werden

The Young and the Wild: What happens to Protoclusters forming at z = 4?

Using one of the largest volumes of the hydrodynamical cosmological simulation suit Magneticum, we study the evolution of protoclusters identified at redshift = 4, with properties similar to SPT2349-56. We identify 42 protoclusters in the simulation, as massive and equally rich in substructures as observed, confirming that these structures are already virialized. The dynamics of the internally fast rotating member galaxies within these protoclusters resembles observations, merging rapidly to form the cores of the BCGs of the assembling clusters. Half of the gas reservoir of these structures is in a hot phase, with the metal-enrichment at a very early stage. These systems show a good agreement with the observed amount of cold star-forming gas, largely enriched to solar values. We predict that some of the member galaxies are already quenched at z = 4, rendering them undetectable through measurements of their gas reservoir. Tracing the evolution of protoclusters reveals that none of the typical mass indicators at high redshift are good tracers to predict the present-day mass of the system. We find that none of the simulated protoclusters with properties as SPT2349-56 at z = 4.3, are among the top ten most massive clusters at redshift z = 0, with some barely reaching masses of M = 2 x 10^14Msun. Although the average star-formation and mass-growth rates in the simulated galaxies match observations at high redshift reasonably well, the simulation fails to reproduce the extremely high total star-formation rates within observed protoclusters, indicating that the sub-grid models are lacking the ability to reproduce higher star-formation efficiency (or lower depletion timescales).Comment: 20 pages, 15 figures. Submitted to Ap

The Dust and Molecular Gas in the Brightest Cluster Galaxy in MACS 1931.8-2635

We present new ALMA observations of the molecular gas and far-infrared continuum around the brightest cluster galaxy (BCG) in the cool-core cluster MACS 1931.8-2635. Our observations reveal $1.9 \pm 0.3 \times 10^{10}$ M$_{\odot}$ of molecular gas, on par with the largest known reservoirs of cold gas in a cluster core. We detect CO(1-0), CO(3-2), and CO(4-3) emission from both diffuse and compact molecular gas components that extend from the BCG center out to $\sim30$ kpc to the northwest, tracing the UV knots and H$\alpha$ filaments observed by HST. Due to the lack of morphological symmetry, we hypothesize that the $\sim300$ km s$^{-1}$ velocity of the CO in the tail is not due to concurrent uplift by AGN jets, rather we may be observing the aftermath of a recent AGN outburst. The CO spectral line energy distribution suggests that molecular gas excitation is influenced by processes related to both star formation and recent AGN feedback. Continuum emission in Bands 6 and 7 arises from dust and is spatially coincident with young stars and nebular emission observed in the UV and optical. We constrain the temperature of several dust clumps to be $\lesssim 10$ K, which is too cold to be directly interacting with the surrounding $\sim 4.8$ keV intracluster medium (ICM). The cold dust population extends beyond the observed CO emission and must either be protected from interacting with the ICM or be surrounded by local volumes of ICM that are several keV colder than observed by Chandra.Comment: Accepted for Publication in ApJ, 19 pages, 11 figures. Minor revisions to the discussion and accompanying figur

Discovery of a lensed ultrabright submillimeter galaxy at z = 2.0439. Póster

We report an ultra-bright lensed submillimeter galaxy (SMG) at z = 2.0439, WISE J132934.18+224327.3, identified as a result of a full-sky cross-correlation of the AllWISE and Planck compact source catalogs aimed to search for bright analogs of the submillimeter galaxy SMMJ2135, the Cosmic Eyelash. Inspection of archival SCUBA-2 observations of the candidates revealed a source with fluxes (S850μm= 130 mJy) consistent with the Planck measurements. The centroid of the SCUBA-2 source coincides within 1 arcsec with the position of the AllWISE mid-IR source, and, remarkably, with an arc shaped lensed galaxy in HST images at visible wavelengths. Low-resolution rest-frame UV-optical spectroscopy of this lensed galaxy obtained with 10.4 m GTC reveals the typical absorption lines of a starburst galaxy. Gemini-N near-IR spectroscopy provided a clear detection of H_ emission. The lensed source appears to be gravitationally magnified by a massive foreground galaxy cluster lens at z = 0.44, modeling with Lenstool indicates a lensing amplification factor of 11±2. We determine an intrinsic rest-frame 8-1000-μm luminosity, LIR, of (1.3±0.1)×1013 L⊙, and a likely star-formation rate (SFR) of _ 500−2000 M⊙yr−1 . The SED shows a remarkable similarity with the Cosmic Eyelash from optical-mid/IR to sub-millimeter/radio, albeit at higher fluxes

A near/mid infrared search for ultra-bright submillimetre galaxies: searching for sosmic eyelash analogues

We present results from a near/mid IR search for submillimetre galaxies over a region of 6230 sq deg. of the southern sky. We used a cross-correlation of the VISTA Hemispheric Survey (VHS) and the WISE database to identify bright galaxies (Ks � 18.2) with near/mid IR colours similar to those of the high redshift lensed sub-mm galaxy SMM J2135-0102. We find 7 galaxies which fulfill all five adopted near/mid IR colour (NMIRQC) criteria and resemble the SED of the reference galaxy at these wavelengths. For these galaxies, which are broadly distributed in the sky, we deter- mined photometric redshifts in the range z=1.6-3.2. We searched the VHS for clusters of galaxies, which may be acting as gravitational lenses, and found that 6 out of the 7 galaxies are located within 3.5 arcmin of a cluster/group of galaxies. Using the J-Ks vs J sequences we determine photometric redshifts for these clusters/groups in the range z=0.2-0.9. We propose the newly identified sources are ultra-bright high red- shift lensed SMG candidates. Follow-up observations in the sub-mm and mm are key to determine the ultimate nature of these objects

Dust and Molecular Gas in the Brightest Cluster Galaxy in MACS 1931.8-2635

We present new Atacama Large Millimeter Array observations of the molecular gas and far-infrared continuum around the brightest cluster galaxy (BCG) in the cool-core cluster MACS 1931.8-2635. Our observations reveal (1.9 ± 0.3) × 10^(10) M⊙ of molecular gas, on par with the largest known reservoirs of cold gas in a cluster core. We detect CO(1−0), CO(3−2), and CO(4−3) emission from both diffuse and compact molecular gas components that extend from the BCG center out to ~30 kpc to the northwest, tracing the UV knots and Hα filaments observed by the Hubble Space Telescope. Due to the lack of morphological symmetry, we hypothesize that the ~300 km s−1 velocity of the CO in the tail is not due to concurrent uplift by active galactic nucleus (AGN) jets; rather, we may be observing the aftermath of a recent AGN outburst. The CO spectral line energy distribution suggests that molecular gas excitation is influenced by processes related to both star formation and recent AGN feedback. Continuum emission in Bands 6 and 7 arises from dust and is spatially coincident with young stars and nebular emission observed in the UV and optical. We constrain the temperature of several dust clumps to be ≾10 K, which is too cold to be directly interacting with the surrounding ~4.8 keV intracluster medium (ICM). The cold dust population extends beyond the observed CO emission and must either be protected from interacting with the ICM or be surrounded by local volumes of ICM that are several keV colder than observed by Chandra

Constraining Dust and Molecular Gas Properties in Lyα Blobs at z ~ 3

In order to constrain the bolometric luminosities, dust properties, and molecular gas content of giant Lyα nebulae, the so-called Lyα blobs, we have carried out a study of dust continuum and CO line emission in two well-studied representatives of this population at z ~ 3: an Lyα blob discovered by its strong Spitzer Multiband Infrared Photometer 24 μm detection (LABd05) and the Steidel blob 1 (SSA22-LAB01). We find that the spectral energy distribution of LABd05 is well described by an active-galactic-nucleus-starburst composite template with L_(FIR) = (4.0 ± 0.5) × 10^(12) L_☉, comparable to high-z submillimeter galaxies and ultraluminous infrared galaxies. New Large APEX Bolometer Camera 870 μm measurements rule out the reported Submillimeter Common-User Bolometer Array detection of the SSA22-LAB01 (S_(850 μm) = 16.8 mJy) at the >4σ level. Consistent with this, ultradeep Plateau de Bure Interferometer observations with ~2'' spatial resolution also fail to detect any 1.2 mm continuum source down to ≈0.45 mJy beam^(–1) (3σ). Combined with the existing (sub)millimeter observations in the literature, we conclude that the FIR luminosity of SSA22-LAB01 remains uncertain. No CO line is detected in either case down to integrated flux limits of S_νΔV ≾ 0.25-1.0 Jy km s^(–1), indicating a modest molecular gas reservoir, M(H_2) < (1-3) × 10^(10) M_☉. The non-detections exclude, with high significance (12σ), the previous tentative detection of a CO J = 4-3 line in the SSA22-LAB01. The increased sensitivity afforded by the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array will be critical in studying molecular gas and dust in these interesting systems