[論文レビュー] Dusty Starbursts Masquerading as Ultra-high Redshift Galaxies in JWST CEERS Observations

Jorge A. Zavala, V. Buat+122 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、赤方偏移 z ≈ 6–8 のダストを含むスターバースト銀河が、JWST CEERS観測において、超高赤方偏移銀河 (z > 10) の光度的特徴を模倣できることを示している。これは、サブミリ波長域での強いダスト放射のおかげである。SEDモデリングと宇宙論的質量関数の制約を用いて、著者らは、z > 10 で 1 mJy のサブミリ波長検出が、不自然に高い星形成率 (>100 M☉/yr) と ΛCDM の制限を超えるダスト質量を示唆することを示しており、こうした検出の真の起源は低赤方偏移のダストを含むスターバースト銀河である可能性が強く支持されている。

ABSTRACT

Lyman Break Galaxy (LBG) candidates at z>10 are rapidly being identified in JWST/NIRCam observations. Due to the (redshifted) break produced by neutral hydrogen absorption of rest-frame UV photons, these sources are expected to drop out in the bluer filters while being well detected in redder filters. However, here we show that dust-enshrouded star-forming galaxies at lower redshifts (z<7) may also mimic the near-infrared (near-IR) colors of z>10 LBGs, representing potential contaminants in LBG candidate samples. First, we analyze CEERS-DSFG-1, a NIRCam dropout undetected in the F115W and F150W filters but detected at longer wavelengths. Combining the JWST data with (sub)millimeter constraints, including deep NOEMA interferometric observations, we show that this source is a dusty star-forming galaxy (DSFG) at z~5.1. We also present a tentative 2.6sigma SCUBA-2 detection at 850um around a recently identified z~16 LBG candidate in the same field and show that, if the emission is real and associated with this candidate, the available photometry is consistent with a z~5 dusty galaxy with strong nebular emission lines despite its blue near-IR colors. Further observations on this candidate are imperative to mitigate the low confidence of this tentative submillimeter emission and its positional uncertainty. Our analysis shows that robust (sub)millimeter detections of NIRCam dropout galaxies likely imply z=4-6 redshift solutions, where the observed near-IR break would be the result of a strong rest-frame optical Balmer break combined with high dust attenuation and strong nebular line emission, rather than the rest-frame UV Lyman break. This provides evidence that DSFGs may contaminate searches for ultra high-redshift LBG candidates from JWST observations.

研究の動機と目的

• ダストを含むスターバースト銀河が、JWST CEERSデータにおいて超高赤方偏移銀河として誤って特定されうるかどうかを調査すること。
• z > 10 におけるサブミリ波長検出から推定される極端な星形成率とダスト質量の妥当性を評価すること。
• 宇宙論的質量関数の制約が、こうした高赤方偏移解釈を除外するかどうかを評価すること。
• ミリ波/サブミリ波長データを用いて、高赤方偏移銀河候補サンプル内の低赤方偏移の混入銀河を同定する手法を提供すること。

提案手法

• NIRCam および SCUB2 からの多波長光度測定を用いた CEERS-93316 および CEERS-DSFG-1 の SED フィッティング。
• 変化するダスト温度 (T_d = 25–35 K) と赤方偏移依存のCMB加熱効果を考慮した、ダスト放射のモデリング。
• Harrison & Hotchkiss (2013) のホール質量関数から導かれる最大ホール質量限界と、ISM-ダスト質量比 (1/20 および 1/100) をスケーリングして、推定されたダスト質量を比較。
• 宇宙論的整合性を評価するため、質量-赤方偏移平面における 1σ, 2σ, 3σ の除外曲線の計算。
• 高赤方偏移におけるダスト放射をモデリングするため、da Cunha et al. (2013) のCMB加熱補正の使用。
• 本研究と Donnan et al. (2022) の間のフラックス密度の不一致を、系統的な光度測定比較により評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 6–8 のダストを含むスターバースト銀河は、JWST CEERSにおいて z > 10 の銀河と区別できない光度的特徴を示すことができるか？
• RQ2 CEERS調査領域内における高赤方偏移で、ΛCDM宇宙論が許容する最大ダスト質量は何か？
• RQ3 z > 10 で約 1 mJy のサブミリ波長検出は、観測された高赤方偏移銀河と整合しない星形成率を示唆するか？
• RQ4 CMB加熱効果は、高赤方偏移におけるダスト放射の検出可能性とコントラストにどのように影響するか？
• RQ5 ミリ波/サブミリ波長観測は、高赤方偏移銀河候補サンプル内の低赤方偏移混入銀河を効率的に同定できるか？

主な発見

• z > 10 で約 1 mJy のサブミリ波長フラックス密度は、100 M☉/yr を超える星形成率を示唆しており、観測された z > 8 の銀河とは整合しない。
• z ≈ 15 では、必要な星形成率が約 1,000 M☉/yr に達し、既知のすべての高赤方偏移源を2桁以上上回る。
• z > 10 で 1 mJy の源に対する推定ダスト質量は、CEERS領域内での ΛCDM 宇宙論が許容する最大質量を超えており、保守的なISM-ダスト質量比を考慮しても同様である。
• T_d = 35 K を仮定した場合、CEERS-DSFG-1 および CEERS-93316 の z > 10 解釈は、1σ の除外曲線によって 1σ 水準で除外される。
• より高いダスト温度 (例：50 K) であっても、z > 12 では必要なダスト質量が依然として宇宙論的限界を超えており、こうした高赤方偏移解釈は不自然である。
• 本研究で用いられた光度測定は、Donnan et al. (2022) より約 0.09 mag 明るく、データリダクションおよびキャリブレーションの違いが原因である可能性が高い。