[論文レビュー] Missing Giants: Predictions on Dust-Obscured Galaxy Stellar Mass Assembly Throughout Cosmic Time

Arianna S. Long, Caitlin M. Casey+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ダストで覆われた星形成銀河（DSFG）の実測データを用いて、宇宙時間にわたる星の質量の蓄積を予測する数値モデルを開発した。その結果、質量が大きいDSFGは、z > 1 において全星形成銀河の50–100%を占め、その静止的後継者（quiescent descendants）が観測された質量の大きな非星形成銀河の数密度を説明できることから、高赤方偏移における質量の大きな銀河の十分な先祖集団であると示唆された。

ABSTRACT

Due to their extremely dust-obscured nature, much uncertainty still exists surrounding the stellar mass growth and content in dusty, star-forming galaxies (DSFGs) at $z>1$. In this work, we present a numerical model built using empirical data on DSFGs to estimate their stellar mass contributions across the first $\sim$10 Gyr of cosmic time. We generate a dust-obscured stellar mass function that extends beyond the mass limit of star-forming stellar mass functions in the literature, and predict that massive DSFGs constitute as much as $50-100\%$ of all star-forming galaxies with M $\ge10^{11}$M$_\odot$ at $z>1$. We predict the number density of massive DSFGs and find general agreement with observations, although more data is needed to narrow wide observational uncertainties. We forward model mock massive DSFGs to their quiescent descendants and find remarkable agreement with observations from the literature demonstrating that, to first order, massive DSFGs are a sufficient ancestral population to describe the prevalence of massive quiescent galaxies at $z>1$. We predict that massive DSFGs and their descendants contribute as much as $25-60\%$ to the cosmic stellar mass density during the peak of cosmic star formation, and predict an intense epoch of population growth during the $\sim1$ Gyr from $z=6$ to 3 during which the majority of the most massive galaxies at high-$z$ grow and then quench. Future studies seeking to understand massive galaxy growth and evolution in the early Universe should strategize synergies with data from the latest observatories (e.g. JWST and ALMA) to better include the heavily dust-obscured galaxy population.

研究の動機と目的

• z > 1 における宇宙時間にわたる星の質量蓄積におけるダストで覆われた星形成銀河（DSFG）の役割を定量化すること。
• 過剰にダストで遮蔽された系を無視するUV/光学ベースの銀河進化モデルに生じるバイアスを是正すること。
• 質量の大きなDSFGが、高赤方偏移における観測された質量の大きな非星形成銀河の数密度を説明できるかどうかを検証すること。
• ピーク星形成期におけるDSFGおよびその後継者による宇宙の星の質量密度への寄与を推定すること。
• DSFGの性質を解明するための今後の観測を支援するために、JWSTとALMAの間の主要な相乗効果を特定すること。

提案手法

• 著者らは、DSFGの実測データを用いて、UV/光学ベースの星の質量関数（SMF）を拡張し、赤外線（IR）の輝度関数とダスト減光モデルを組み合わせることで、ダストで覆われた星の質量関数（SMF）を構築した。
• 特徴的質量を超える高質量領域のSMFを、保守的な仮定のもとでべき乗則の延長としてモデル化し、バイアスを最小限に抑えた。
• IR輝度関数およびスペクトルエネルギー分布（SED）フィッティングの不確実性を組み込み、星形成効率やガス消費 timescale などのDSFGの性質をマージナライズした。
• DSFGのフォワードモデリングを通じて、その静止的後継者を予測し、予測された数密度を観測された非星形成銀河の数密度と比較した。
• 深紫外・サブミリ波長および遠赤外（far-IR）の調査から校正された、赤方偏移依存のIR輝度関数とダスト減光パラメータをモデルに組み込んだ。
• 観測の深さや選択バイアスを考慮した上で、観測制約（z > 1 における質量の大きなDSFGおよび非星形成銀河の数密度など）と照らし合わせて予測を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダストで覆われた星形成銀河（DSFG）は、z > 1 において、質量の大きな銀河の星の質量蓄積をどの程度支配しているか？
• RQ2 質量の大きなDSFGが、z > 1 における観測された質量の大きな非星形成銀河の数密度を単独で説明できるか？
• RQ3 z ~ 2 における宇宙の星の質量密度の何パーセントがDSFGおよびその静止的後継者に起因するか？
• RQ4 DSFGを含めることで、統合された星形成率密度と直接測定された星の質量密度との乖離はどのように解消されるか？
• RQ5 特にJWSTとALMAを用いた観測戦略として、DSFG集団をよりよく制約するために何が必要か？

主な発見

• 質量が大きいDSFG（M ≥ 10¹¹ M⊙）は、z > 1 における全星形成銀河の50–100%を占めており、これは少数の集団ではなく、高質量成長の主要因であることを示している。
• モデルによる質量の大きなDSFGの数密度予測は、観測と一般的に整合しているが、z > 4 では星の質量測定が限られているため、不確実性が依然として大きい。
• DSFGをその静止的後継者にまでフォワードモデリングした結果、z > 1 における質量の大きな非星形成銀河の観測数密度と非常に良好に一致し、DSFGが主な先祖集団であるという仮説を支持する。
• DSFGおよびその静止的後継者は、星形成ピーク期（z ~ 2）における宇宙の星の質量密度の25–60%を寄与しており、推定値と観測値のギャップを顕著に縮小している。
• z = 6 から z = 3 の間には、10億年間の急激な質量増加と停止期が観測され、最も質量の大きな銀河の多くがこの期間中に形成され、非星形成状態に移行している。
• ダストで覆われたSMFの高質量領域（M ≥ 10¹⁰.⁵ M⊙）の大多数（>75%）は、LIRG的またはULIRG的輝度（L_IR ≥ 10¹¹ L⊙）を示しており、その多くは10¹² L⊙を超える。