Estudo do extremo mais brilhante da função de luminosidade de galáxias com redshift z ∼ 4 − 7 : uma busca por sistemas de lentes gravitacionais

Abstract

O estudo de galáxias em alto redshift permite sondar o ambiente do Universo jovem e entender o surgimento e evolução de suas estruturas. Neste contexto, o uso de lentes gravitacionais funciona como facilitador na detecção e estudo destas galáxias distantes que dificilmente seriam observadas com a tecnologia atual. Outra importante ferramenta que funciona como um indicador estatístico de galáxias no Universo jovem é função de luminosidade, que fornece a densidade numérica de uma classe de objetos em um determinado volume e com uma determinada luminosidade. Estudos recentes têm apontado que há uma superabundância de galáxias com alto redshift (z ≥ 3) no extremo mais brilhante (MUV ≤ −22.5) das funções de luminosidade no referencial de repouso do ultravioleta (LF UV) observadas. Neste trabalho, para investigar estes excessos encontrados, estudamos o extremo mais brilhante de LFs UV de galáxias do tipo Lyman Break (Lyman Break Galaxy - LBG) com redshift z ∼ 4 − 7 do catálogo GOLDRUSH IV de Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program (HSC SSP). Dividimos este trabalho em duas etapas. Na primeira utilizamos as LFs UV galácticas de z ∼ 4 − 7 determinadas em Harikane et al. (2021) e Bouwens et al. (2021) para ajustar três formas funcionais utilizadas para descrever as LFs: o modelo Schechter, o modelo Schechter Lenteado e o modelo com uma lei de potência dupla (Double Power Law - DPL). Com base nestes ajustes, confirmamos que há uma quantidade de galáxias no extremo mais brilhante das LFs UV que excede o corte exponencial previsto pela forma Schechter padrão. Verificamos ainda que, apesar de a forma Schechter Lenteada ajustar, dentro das incertezas, as LFs em z ∼ 5 − 7, ela não confere um bom ajuste em z ∼ 4, sendo o modelo DPL aquele que melhor descreve os dados observados. Todos os parâmetros de melhor ajuste encontrados estão de acordo com resultados obtidos na literatura. Na segunda etapa deste trabalho, investigamos se a magnificação por lenteamento gravitacional pode justificar os excessos encontrados nas LFs UV observadas. Aqui, optamos por analisar esta contribuição em z ∼ 4, pois neste redshift, o excesso observado de galáxias brilhantes foi mais pronunciado, há maior quantidade de dados observados e as imagens possuem melhor qualidade para inspeção visual. Com base nas cores e separação angular das galáxias detectadas em z ∼ 4, selecionamos no catálogo GOLDRUSH IV 610 grupos de detecções candidatos à configurações de lenteamento gravitacional, dos quais 51 foram classificados como possíveis sistemas de lentes gravitacionais. Verificamos que a quantidade encontrada de galáxias possivelmente magnificadas, ainda que de algum modo pudesse contribuir, não seria suficiente para explicar os excessos encontrados no extremo mais brilhante das funções de luminosidade observadas em z ∼ 4. Para os outros redshifts, no entanto, análises posteriores são necessárias para verificar esta hipótese.

The study of high-redshift galaxies allows us to probe the environment of the early Universe and to understand the birth and evolution of its structures. In this context, we can use gravitational lenses as a tool for the detection and study of these distant galaxies that would possibily not be observed with current technology. Another important tool to build-up a statistical description of galaxies in the early Universe is the luminosity function, which provides the numerical density of a class of objects per unit volume as a function of their luminosities. Recent studies have pointed out that there is a overabundance of galaxies at high redshift (z > 3) in the bright-end (MUV ≤ −22.5) of their rest-frame ultraviolet luminosity functions (UV LFs). In this work, in order to investigate these observed excesses, we study the bright-end of Lyman Break Galaxies (LBGs) UV LFs at z ∼ 4 − 7 of GOLDRUSH IV survey from Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program (HSC SSP). We divided this work into two parts. In the first one, we use the galactic UV LFs at z ∼ 4 − 7 measured by Harikane et al. (2021) and Bouwens et al. (2021) to investigate their shapes by fitting them with three functional forms: the Schechter model, the Lensed Schechter model and the double-power law model (DPL). We confirm that there are a number density of galaxies at bright-end of the observed LFs that exceeds the exponential cutoff of the typically assumed Schechter functional form. We also verify that the UV LFs can be better described by a DPL model, and although the Lensed Schechter function provides a good fit, within the uncertainties, of the UV LFs at z ∼ 5 − 7, it does not provide a good fit at z ∼ 4. All the best-fit parameters found are in good agreement with the literature. In the second part of this work, we investigate if the bright-end galaxies are significantly affected by gravitational lensing magnification, so they can explain the excesses found. Here, we chose to analyze the bright galaxies at z ∼ 4, since at this redshift, the observed amount of bright galaxies is larger, there is a greater number of observed data and the images have better quality for visual inspection. Based on the colors and angular separation of detected sources at z ∼ 4, we selected in the GOLDRUSH IV survey, 610 groups of detection candidates for gravitational lensing configurations, of which 51 were classified as possible gravitational lensing systems. We found that the amount of possibly magnified galaxies would not be enough to explain the excesses at the bright end of the LFs observed in z ∼ 4, even though it could contribute in some level. For other redshifts, however, further analysis is necessary to verify this hypothesis.