[論文レビュー] Mapping dusty galaxy growth at $z>5$ with FRESCO: Detection of H$α$ in submm galaxy HDF850.1 and the surrounding overdense structures

Thomas Herard-Demanche, R. J. Bouwens+22 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, PhenomenaPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、JWSTのFRESCO計画によるNIRCamグリズムスぺクトロスコピーを用いて、z > 5の状態で最初の安全なHα検出を、サブミリメートル銀河HDF850.1から行った。13σのHα検出は、z ≈ 5.18に100個の銀河を宿す高赤方偏移の過密度を確認し、HDF850.1が将来的にz ≈ 0で>10¹⁴ M☉のクラスタに進化する可能性の高い密度の高い原始クラスタに位置していることを示唆している。過密度環境では星形成率（SFR）と質量が強化されている。

ABSTRACT

We report the detection of a 13$σ$ H$α$ emission line from HDF850.1 at $z=5.188\pm0.001$ using the FRESCO NIRCam F444W grism observations. Detection of H$α$ in HDF850.1 is noteworthy, given its high far-IR luminosity, substantial dust obscuration, and the historical challenges in deriving its redshift. HDF850.1 shows a clear detection in the F444W imaging data, distributed between a northern and southern component, mirroring that seen in [CII] from the Plateau de Bure Interferometer. Modeling the SED of each component separately, we find that the northern component has a higher mass, star formation rate (SFR), and dust extinction than the southern component. The observed H$α$ emission appears to arise entirely from the less-obscured southern component and shows a similar $Δ$v$\sim$+130 km/s velocity offset to that seen for [CII] relative to the source systemic redshift. Leveraging H$α$-derived redshifts from FRESCO observations, we find that HDF850.1 is forming in one of the richest environments identified to date at $z>5$, with 100 $z=5.17-5.20$ galaxies distributed across 10 structures and a $\sim$(15 cMpc)$^3$ volume. Based on the evolution of analogous structures in cosmological simulations, the $z=5.17-5.20$ structures seem likely to collapse into a single $>$10$^{14}$ $M_{\odot}$ cluster by $z\sim0$. Comparing galaxy properties forming within this overdensity with those outside, we find the masses, SFRs, and $UV$ luminosities inside the overdensity to be clearly higher. The prominence of H$α$ line emission from HDF850.1 and other known highly-obscured $z>5$ galaxies illustrates the potential of NIRCam-grism programs to map both the early build-up of IR-luminous galaxies and overdense structures.

研究の動機と目的

• JWSTのNIRCamグリズムスぺクトロスコピーを用いて、z > 5の状態で高密度に遮蔽された、遠赤外線に強く輝くサブミリメートル銀河HDF850.1からのHα放射を検出すること。
• Hαおよび補助的データを用いて、HDF850.1の赤方偏移と物理的性質、およびその環境を特定すること。
• 過密度構造が初期銀河の成長に果たす役割を、過密度内と外の銀河特性を比較することで評価すること。
• NIRCamグリズムスケールが、ほこりまみれの高赤方偏移銀河およびその大規模環境をマッピングする可能性を評価すること。

提案手法

• FRESCO計画による深さのあるNIRCam F444Wグリズム観測を用い、Hα放射の検出によってスぺクトロスコピック赤方偏移を取得した。
• グリズムスぺクトルからの源抽出と輝度測定を実施し、z = 5.188 ± 0.001で13σのHα放射線を同定した。
• HDF850.1の北側および南側の成分を別々にモデル化して、星形成率（SFR）、星質量、ほこりによる減光を導出した。
• Hαから導かれた赤方偏移を、既存のサブミリメートルおよび[CII]データと照合し、10の構造にまたがる約(15 cMpc)³の体積内でz ≈ 5.17–5.20に100個の銀河からなる大きな過密度を同定した。
• 宇宙論的シミュレーションを用いて、過密度が将来的にz ≈ 0で巨大なクラスタに進化する可能性を推定した。
• 過密度内と外の銀河特性（質量、SFR、UV等価放射度）を比較し、環境的要因の影響を評価した。

Figure 1: Images centered on HDF850.1 from both HST in the F814W band ( left panel ) and JWST /NIRCam in the F182M+F210M ( center panel ) and F444W bands ( right panel ). The blue and red solid lines contours in the left panel show the 3, 4, 5, 6, 7, and 8 $\sigma$ contours for [CII] emission from t

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブミリメートル銀河HDF850.1の赤方偏移と物理的性質は何か？ また、JWSTを用いてz > 5の状態でそのHα放射を安全に検出できるか？
• RQ2 HDF850.1の周囲の大規模構造環境は何か？ また、z ≈ 5.18で何個の銀河が関連しているか？
• RQ3 過密度内の銀河の星質量、星形成率（SFR）、UV等価放射度は、フィールド銀河と比べてどの程度異なるか？
• RQ4 宇宙論的シミュレーションに基づいて、過密度がz ≈ 0で巨大なクラスタの前身である可能性はどの程度高いか？
• RQ5 NIRCamグリズムスケールが、過密環境におけるほこりまみれの高赤方偏移星形成銀河の分布と性質を効果的にマッピングできるか？

主な発見

• z = 5.188 ± 0.001で13σのHα放射線がHDF850.1から検出され、赤方偏移が確認され、長年の不確実性が解消された。
• Hα放射は、HDF850.1の遮蔽がやや弱い南側成分にのみ起因しており、システム的赤方偏移に対して約+130 km/sのドップラー速度オフセットを示している。
• 過密度は、約(15 cMpc)³の体積に10の構造に分散して100個の銀河（z ≈ 5.17–5.20）を含んでいる。
• 過密度内の銀河は、フィールド銀河と比較して顕著に高い星質量、SFR、UV等価放射度を示しており、3σ以上の有意性が確認された。
• 宇宙論的シミュレーションに基づき、過密度は将来的にz ≈ 0で>10¹⁴ M☉の巨大クラスタに進化する可能性が高い。
• 本研究は、NIRCamグリズムスぺクトロスコピーが、ほこりまみれの高赤方偏移銀河のHαを検出し、その大規模環境をマッピングする強力な手法であることを示した。

Figure 2: 2D spectrum from the southern component to HDF850.1 ( upper panel ) along with our 1D extraction from the direct image morphology ( lower panel ). The upper panel shows a zoomed-in 2D spectrum around the H $\alpha$ line after subtracting the continuum using a median-filtered technique foll