[論文レビュー] From Clusters to Proto-clusters: the Infrared Perspective on Environmental Galaxy Evolution

Stacey Alberts, Allison Noble|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

このレビューは赤外線観測の視点から、銀河進化における環境の役割を要約し、銀河クラスターやその高赤方偏移 progenitor であるプロトクラスターめいて、星形成停止のメカニズムに焦点を当てる。赤外線データは、宇宙の歴史にわたって遮蔽された星形成、分子ガスの含有量、および星形成停止の経路を明らかにし、（プロト）クラスタで複雑で環境依存の進化経路が存在することを示している。

ABSTRACT

Environment is one of the primary drivers of galaxy evolution; via multiple mechanisms, it can control the critical process of transforming galaxies from star forming to quiescent, commonly termed "quenching". Despite its importance, however, we still do not have a clear view of how environmentally-driven quenching proceeds even in the most extreme environments: galaxy clusters and their progenitor proto-clusters. Recent advances in infrared capabilities have enabled transformative progress not only in the identification of these structures but in detailed analyses of quiescence, obscured star formation, and molecular gas in (proto-)cluster galaxies across cosmic time. In this review, we will discuss the current state of the literature regarding the quenching of galaxies in (proto-)clusters from the observational, infrared perspective. Our improved understanding of environmental galaxy evolution comes from unique observables across the distinct regimes of the near-, mid-, and far-infrared, crucial in the push to high redshift where massive galaxy growth is dominated by highly extincted, infrared-bright galaxies.

研究の動機と目的

• 宇宙の歴史にわたって赤外線データを用いて、環境による銀河の星形成停止に関する観測的証拠を統合すること。
• 高密度環境における銀河進化を形作る内部的および外部的の複数の星形成停止メカニズムの役割を明確にすること。
• 近赤外、中赤外、遠赤外の赤外線観測量が、（プロト）クラスタ銀河における遮蔽された星形成および分子ガスをどのように明らかにするかを検討すること。
• z ≈ 0 から z > 2 の範囲で、銀河クラスターやプロトクラスターめいて、星形成銀河から静止銀河への移行を評価すること。
• マスィブ銀河クラスタを天体物理学的実験室として用いて、環境駆動型星形成停止の境界条件を確立すること。

提案手法

• 宇宙望遠鏡（IRAS, Spitzer, Herschel, WISE, JWST）および地上望遠鏡（ALMA, NOEMA, JCMT）からの多波長赤外線データの体系的レビュー。
• スペクトルエネルギー分布（SED）およびスペクトル線データ（例：CO, [CII]）の解析により、星形成率、分子ガス含有量、チリの性質を推定すること。
• 光度赤方偏移およびスペクトロスコピック赤方偏移を用いて、銀河を宇宙の歴史および環境密度の区分（空洞、フィラメント、団、クラスタ）に配置すること。
• 大規模サーベイ（例：HeViCS, VERTICO, GASP, COSMOS）を用いて、環境および赤方偏移にわたる星形成銀河率とSFR-密度関係を比較すること。
• サブミリ波長およびミリ波長サーベイ（例：ALMA, PACS, SPIRE）のデータ統合により、高赤方偏移プロトクラスタにおける冷たいガスおよび遮蔽された星形成を調査すること。
• 環境密度推定器および星の質量のビン分けを用いて、宇宙の歴史にわたる形態とSFR-密度関係を定量化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 0 から z > 2 の範囲で、銀河の星形成率（SFR）および静止銀河率は、局所的環境密度にどのように依存するか？
• RQ2 z ≳ 2 のプロトクラスタで、赤外線観測された分子ガスおよびチリ遮蔽星形成は、銀河の星形成停止にどのような役割を果たすか？
• RQ3 複数の星形成停止メカニズム（例：ラム圧ストリッピング、ストラングレーション、AGNフィードバック）は（プロト）クラスタでどの程度作用し、環境および赤方偏移に応じてどのように変化するか？
• RQ4 SFR-密度関係および形態-密度関係は、低赤方偏移から高赤方偏移にかけてどのように進化し、星形成停止のタイミングを何を示唆するか？
• RQ5 z ≳ 2 において、プロトクラスタが宇宙の星形成率密度（SFRD）に果たす貢献はどの程度で、成熟したクラスタと比べてどうか？

主な発見

• 銀河の星形成率は、局所的銀河密度が高くなるにつれて徐々に低下し、空洞ではほぼ100％、マスィブクラスタ（z ≈ 0）では50％未満にまで低下する。
• z ≳ 2 のプロトクラスタでは、顕著な星形成が観測され、赤外線で明るくチリに包まれた銀河が星形成率密度（SFRD）を支配している。
• z ≈ 1–2 の銀河クラスタでは、SFR-密度関係が崩壊または逆転しており、この時代に星形成停止メカニズムが急速に働き始めることが示唆される。
• 赤外線観測により、クラスタ内の静止銀河が低濃度の原子および分子ガスを有することが判明し、環境プロセスによる星形成停止と整合的である。
• z ≈ 10 のプロトクラスタでは、マスィブ銀河の割合が宇宙のSFRDのおよそ半分を占めていた可能性があり、初期のマスィブ銀河成長において重要な役割を果たしていたことが示唆される。
• JWSTおよびALMAからの多波長赤外線データは、高赤方偏移（プロト）クラスタにおける遮蔽された星形成および分子ガスを解明するために不可欠であり、詳細な星形成停止経路の分析を可能にする。