[論文レビュー] Knocking on giants' doors: I. The evolution of the dust-to-stellar mass ratio in distant dusty galaxies

D. Donevski, Andrea Lapi+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 204被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、$z \leq 5$ の 300 個の質量が大きく、ほこりを多く含む星形成銀河を ALMA 観測を用いて分析し、ほこり質量と星の質量比 ($M_{\rm dust}/M_\star$) の進化を調査した。$M_{\rm dust}/M_\star$ は $z \sim 2$ まで増加し、その後平坦化する傾向を示しており、金属量が高く、赤方偏移が大きい環境での効率的なほこりの成長を示している。特に、星形成の爆発的増加を示す星burst銀河では、空間的に凝縮し、ガスを多く含む条件のため、比が最も高くなる。

ABSTRACT

The dust-to-stellar mass ratio ($M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$) is a crucial yet poorly constrained quantity to understand the production mechanisms of dust, metals and stars in galaxy evolution. In this work we explore and interpret the nature of $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ in 300 massive ($M_{\star}>10^{10}M_{\odot}$), dusty star-forming galaxies detected with ALMA up to $z\approx5$. We find that $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ evolves with redshift, stellar mass, specific SFR and integrated dust size, differently for main sequence and starburst galaxies. In both galaxy populations $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ rises until $z\sim2$ followed by a roughly flat trend towards higher redshifts. We show that the inverse relation between $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ and $M_{\star}$ holds up to $z\approx5$ and can be interpreted as an evolutionary transition from early to late starburst phases. We demonstrate that $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ in starbursts mirrors the increase in molecular gas fraction with redshift, and is enhanced in objects with the most compact dusty star-formation. The state-of-the-art cosmological simulation SIMBA broadly matches the evolution of $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ in main sequence galaxies, but underestimates it in starbursts. The latter is found to be linked to lower gas-phase metallicities and longer dust growth timescales relative to data. Our data are well reproduced by analytical model that includes recipes for rapid metal enrichment, strongly suggesting that high $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ is due to fast grain growth in metal enriched ISM. Our work highlights multifold benefits of using $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ as a diagnostic tool for: (1) separating main sequence and starburst galaxies until $z\sim5$; (2) probing the evolutionary phases of dusty galaxies, and (3) refining the treatment of dust life cycle in simulations.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移のほこりを多く含む星形成銀河 (DSFG) における $M_{\rm dust}/M_\star$ の進化を、$z \approx 5$ まで制約すること。
• 主系列 (MS) と星burst (SB) の銀河という異なる銀河集団における $M_{\rm dust}/M_\star$ の変動の背後にある物理的要因を解明すること。
• 最新の宇宙論的シミュレーションと現象的モデルが、観測された $M_{\rm dust}/M_\star$ の傾向を再現できるかどうかを検証すること。
• $M_{\rm dust}/M_\star$ が高赤方偏移における銀河の進化段階を特定し、MS と SB 銀河を分離するための診断ツールとしての有効性を評価すること。

提案手法

• 300 個の質量が大きく、ほこりを多く含む星形成銀河の ALMA 観測を用い、スペクトルエネルギー分布 (SED) フィッティングとミリ波長 photometry から、ほこり質量と星の質量を導出した。
• 主系列 (MS) と星burst (SB) の集団に、銀河の単位質量あたりの星形成率 (sSFR) が主系列関係と比較してどこに位置するかに基づいて分類した。
• 赤方偏移、星の質量、sSFR、統合的ほこりサイズを変数として $M_{\rm dust}/M_\star$ を評価し、進化の傾向を特定した。
• 宇宙論的シミュレーション (SIMBA) と解析的・現象的モデル (Bethermin et al. 2017; Pantoni et al. 2019) を観測結果と比較し、モデルの性能を評価した。
• 分子ガス割合 ($f_{\rm gas}$) と赤外線表面密度 ($\Sigma_{\rm IR}$) を組み込み、ほこりの成長に及ぼす凝縮性とガス含量の影響を調査した。
• ガス相金属量とほこり成長 timescale の観点から、モデルと観測の乖離を比較し、その要因を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移のほこりを多く含む星形成銀河における、ほこり質量と星の質量比 ($M_{\rm dust}/M_\star$) は、赤方偏移とともにどのように変化するか？
• RQ2 星の質量、sSFR、ほこりサイズといった物理的パラメータは、主系列銀河と星burst銀河における $M_{\rm dust}/M_\star$ の観測傾向をどのように駆動しているか？
• RQ3 宇宙論的シミュレーション (例：SIMBA) は、特に星burst銀河において、観測された $M_{\rm dust}/M_\star$ の進化をどの程度再現できるか？
• RQ4 現象的および解析的モデルは、時間の経過に伴う $M_{\rm dust}/M_\star$ 傾向を観測結果とどの程度よく再現できるか？
• RQ5 凝縮的で金属量の高い星形成は、高赤方偏移銀河における $M_{\rm dust}/M_\star$ の増加にどのような役割を果たしているか？

主な発見

• ほこり質量と星の質量比 ($M_{\rm dust}/M_\star$) は、赤方偏移が $z \sim 2$ に達するまで増加し、それ以降は概ね平坦なまま維持される。これは、初期宇宙における効率的なほこりの成長を示している。
• 星の質量との逆相関関係は、$z \approx 5$ まで成り立つ。これは、初期から後期の星burst段階への進化的遷移と整合的である。
• 星burst銀河では、ほこりの星形成領域が最も凝縮しているシステムで $M_{\rm dust}/M_\star$ が最も高くなる。これは、密度が高く金属量の多い環境でほこりの成長が促進されていることを示している。
• 宇宙論的シミュレーション SIMBA は、主系列銀河における $M_{\rm dust}/M_\star$ の進化を $2\sigma$ の範囲で再現しているが、星burst銀河では著しく低予測している。主な要因は、ガス相金属量が低く、ほこり成長 timescale が長いことによる。
• 現象的モデル (Bethermin et al. 2017) と解析的モデル (Pantoni et al. 2019) は、観測された $M_{\rm dust}/M_\star$ の傾向をうまく再現しており、金属量の多いISMにおける急速なほこり粒子の成長が重要な役割を果たしていることを支持している。
• 星burst銀河における観測された $M_{\rm dust}/M_\star$ は、分子ガス割合 ($f_{\rm gas} = 0.75 \pm 0.09$) と強く相関しており、高いガス含量が高いほこり質量をもたらしていることを確認している。