The Atacama Cosmology Telescope: Extragalactic Point Sources in the Southern Surveys at 150, 220 and 280 GHz observed between 2008-2010

技術要約：150、220、および280 GHzにおける南半球サーベイの銀河外点源

問題と動機
Atacama Cosmology Telescope (ACT) は、主に宇宙マイクロ波背景放射（CMB）をマッピングするように設計された。しかし、ACTによるミリ波波長でのサーベイは、銀河外天体からのフォアグラウンド放射によって汚染されている。CMBから正確な宇宙論的情報を抽出するためには、これらのフォアグラウンドを特定、特性評価、および分離する必要がある。これまでのACTの研究では、赤道領域および南半球の150 GHzにおけるソースのカタログ化は行われていたが、150、220、および280 GHzをカバーする南半球サーベイのための包括的な多周波・多エポック・カタログは欠けていた。本論文は、これらのフォアグラウンド集団（具体的には、非熱的シンクロトロン放射源（典型的には活動銀河核：AGN）と熱的ダスト放射源（ダスティ・スターフォーミング・ギャラクシー：DSFG）の区別）のスペクトル特性、変動性、および数カウントを特性評価する必要性に対処し、CMBフォアグラウンド除去を改善し、銀河進化の研究を進めるものである。

手法
本研究は、2008年、2009年、および2010年の観測をカバーするACTのMillimeter Bolometric Array Camera (MBAC) のデータを利用している。解析は、150 GHz (f150)、220 GHz (f220)、および280 GHz (f280) の3つの周波数帯に焦点を当てている。

• データ処理: データセットは8つのマップで構成される（高ノイズの2009年f280マップを除く）。マップは、CMBパワースペクトル（WMAPおよびPlanckを参照）に対して較正されている。ノイズ特性を改善するために、重複領域に対して逆分散重み付けを用いた加算マップが生成された。
• ソース検出: CMBおよび大気ノイズの中に埋もれた点源の信号対雑音比（S/N）を最適化するために、マッチドフィルタ法が採用された。このフィルタは、装置の瞬時ビーム、ポインティングの不確かさ（5"のガウス型としてモデル化）、およびソースのスペクトル特性を考慮した有効ビームプロファイルを利用している。
• フラックス測定と検証: フラックス密度は、ビーム固角にわたってフィルタリングされたマップを積分することによって測定された。パイプラインには、反復的なソース検出（閾値は50、5.0、3.5 S/N）と、アーティファクトを防ぐためのマスキングが含まれる。カタログの純度、完備性、およびフラックスブースティング効果（低S/Nにおけるフラックスの系統的な過大評価）を決定するために、広範なシミュレーション（約$10^6$回の検出）が行われた。
• 分類: ソースは、3つのバンドにわたるフラックス測定から導出されたスペクトル指数（$\alpha$、ここで $S_\nu \propto \nu^\alpha$）に基づいて分類された。スペクトル指数の二峰性分布により、シンクロトロン優勢のソース（$\alpha \lesssim 1$）とダスト優勢のソース（$\alpha \gtrsim 1$）の分離が可能となった。
• クロスマッチング: カタログは、電波からX線周波数にわたる9つの外部カタログ（SUMSS、PMN、AT20G、SPT-SZ、Planck、IRAS、WISE、AKARI、および2RXSを含む）とクロスマッチングされ、対応天体の特定および分類の検証が行われた。

主な貢献

1. 新しいカタログ: 本論文は、約600平方度の空領域で見つかった483個の銀河外点源の多周波・多エポック・カタログを提示している。
2. 280 GHz データのリリース: 著者らは、2008年および2010年シーズンの、CMBに較正された新しい280 GHzマップおよびウェイトを公開する。
3. 集団の分離: カタログは、ソースを2つの明確な集団、すなわち284個のシンクロトロン源と183個のダスティなソース候補に分割している。
4. 変動性解析: 多エポックの性質により、年単位のスケールでのソースの変動性を研究することが可能である。
5. 数カウント: 完備性とフラックスブースティングを補正した、150、220、および280 GHzの両方の集団に対する微分数カウント（$dN/dS$）が提供される。

結果

• ソースカウントと分類: カタログには284個のシンクロトロン源と183個のダスティな候補が含まれる。外部カタログとのクロスマッチングにより、251個のシンクロトロン源（88%）と92個のダスティなソース（51%）の対応天体が特定された。これは、既存のカタログに存在しない新しい検出が91個のダスティな候補であることを示唆している。
• スペクトル特性:
  • シンクロトロン源は、平坦または負のスペクトル指数を示し、平均 $\alpha_{150-220} \approx -0.65$ である。
  • ダスティなソースは、正のスペクトル指数を示し、平均 $\alpha_{150-220} \approx 3.39$ である。
  • 280 GHz バンドは、ダスティなソースを特定するために極めて重要である。なぜなら、それらのフラックスは周波数とともに増加するのに対し、シンクロトロンのフラックスは減少するためである。
• 変動性: シンクロトロン源は顕著な年次変動を示し、平均分数変動は $35 \pm 2\%$ である。対照的に、ダスティなソースの集団については有意な変動は検出されず、これは熱的ダスト放射の期待と一致している。
• 数カウント:
  • シンクロトロン: 測定されたカウントは、すべての周波数において、以前の測定および理論モデル（例：Lagache et al. 2020, Bonato et al. 2019）とよく一致している。
  • ダスティ: 150および220 GHzにおいて、カウントは一般にモデルと一致しているが、一部のモデル（例：Béthermin et al. 2011）は150 GHzにおけるソースの数を過大評価する傾向がある。280 GHzにおいて、結果は高フラックス（$>30$ mJy）では赤道域のサーベイデータと一致するが、低フラックスでは不一致が見られる。特に、一部のモデルは280 GHzにおけるダスティなソースの数を過大評価している。
• アストロメトリ: AT20Gカタログとの比較により、赤経において平均 $0.63''$、赤緯において $0.31''$ の位置オフセットが示され、標準偏差はそれぞれ $4.7''$ および $3.5''$ であった。

意義と主張
著者らは、本研究が将来の高周波サーベイ（Simons Observatory、CMB-S4、およびFred Young Submillimeter Telescope (CCAT-Prime)）とのクロス相関およびクロスマッチングのための貴重なツールを提供すると述べている。これらはいずれも280 GHzで動作するものである。較正された280 GHzマップのリリースと、数百の新しい明るいDSFG候補（220 GHzのカタログとは異なる関数によって選択された）の特定は、ALMAやAPEXのような施設によるフォローアップ観測の優れた対象となる。提示された観測カウントは、特に観測的な制約が少ない280 GHzチャネルにおける、銀河形成および進化の理論モデルを制約するために役立つ。本研究は、CMB解析を精緻化し、高赤方偏移の星形成の理解を進めるために、多周波ACTデータがフォアグラウンド集団を分離する上で有用であることを裏付けている。