[論文レビュー] Quiescent or dusty? Unveiling the nature of extremely red galaxies at $z>3$

Laia Barrufet, Pascal A. Oesch+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は JWST/NIRSpec PRISM 分光法を用いて23個の HST-dark 銀河（H-F444W>1.75）を観測し、ほとんどが塵に覆われた性質であり、かなりの割合が準静止していること、正確な赤方偏移と塵の測定を得たことを示す；1つの準静止源には AGN 活性が見られる。

ABSTRACT

The advent of the JWST has revolutionised our understanding of high-redshift galaxies. In particular, the NIRCam instrument on-board JWST has revealed a population of Hubble Space Telescope (HST)-dark galaxies that had previously evaded optical detection, potentially due to significant dust obscuration, quiescence, or simply extreme redshift. Here, we present the first NIRSpec spectra of 23 HST-dark galaxies ($\mathrm{H-F444W>1.75}$), unveiling their nature and physical properties. This sample includes both dusty and quiescent galaxies with spectroscopic data from NIRSpec/PRISM, providing accurate spectroscopic redshifts with $\mathrm{\overline{z}_{spec} = 4.1 \pm 0.7}$. The spectral features demonstrate that, while the majority of HST-dark galaxies are dusty, a substantial fraction, $\mathrm{13^{+9}_{-6} \%}$, are quiescent. For the dusty galaxies, we have quantified the dust attenuation using the Balmer decrement ($\mathrm{Hα/ Hβ}$), finding attenuations $\mathrm{A_{V} > 2\ mag}$. We find that HST-dark dusty galaxies are $\mathrm{Hα}$ emitters with equivalent widths spanning the range $\mathrm{ 68 A < EW_{Hα} < 550 A }$, indicative of a wide range of recent star-formation activity. Whether dusty or quiescent, we find that HST-dark galaxies are predominantly massive, with 85\% of the galaxies in the sample having masses $\mathrm{log(M_{*}/M_{\odot}) > 9.8}$. This pilot NIRSpec program reveals the diverse nature of HST-dark galaxies and highlights the effectiveness of NIRSpec/PRISM spectroscopic follow-up in distinguishing between dusty and quiescent galaxies and properly quantifying their physical properties. Upcoming research utilising higher-resolution NIRSpec data and combining JWST with ALMA observations will enhance our understanding of these enigmatic and challenging sources.

研究の動機と目的

• HST-dark 銀河（z>3）の赤方偏移分布を NIRSpec PRISM 分光で特定する。
• 分光的特徴を通じて dusty と quiescent の HST-dark 銀河を区別する。
• サンプルの塵減衰と基本的物理量（質量、SFR）を見積もる。
• HST-dark 銀河の AGN 活動の有無を評価する。
• 高赤方偏移領域での JWST+ALMA 研究の将来の基準を提供する。

提案手法

• NIRCam 撮影から選択した23 銀河に対して低分解能 (R~100) の NIRSpec PRISM 分光 (1–5 μm) を取得する。
• Hβ、[OIII]、Hα、[NII]、[SII] の発光線と連続を抽出し、線フラックスと Balmer 律を測定する。
• 発光線と Balmer ブreak の特徴に基づいて、銀河を dusty または quiescent に分類する。
• 分光赤方偏移と多バンド光度データを用いた BAGPIPES による SED fitting を実施し、M*、SFR、A_V を導出する。
• Balmer 律 (Hα/Hβ) を用いて Calzetti 減衰を介して A_V を導出し、Hα の光度と [NII] の混合を Hα 光度測定で考慮する。
• SED 分析には、遅延型 SFH モデルを wide τ 範囲、金属licity 0.2–2.5 Z⊙、 CLOUDY Nebular emission を組み込む。

Figure 1: Colour magnitude diagram (F444W vs H-F444W) of the total sample (grey triangles) of the ’Quiescent or dusty?’ program (GO 2198). We selected 23 red galaxies (red diamonds) with the colour $\mathrm{H-F444W>1.75}$ similar to Barrufet et al. ( 2023a ) (black line). This subset includes severa

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JWST/NIRSpec PRISM で観測した場合、HST-dark 銀河の赤方偏移分布はどうなるか。
• RQ2 z>3 の HST-dark 銀河のうち、分光データに基づく dusty と quiescent の割合はどの程度か。
• RQ3 これらの銀河における Balmer 律による塵減衰と、SED fitting で得られる連続体ベースの減衰はどう比較されるか。
• RQ4 発光線プロファイルから dusty HST-dark 銀河の中に AGN 活動が見られるか。
• RQ5 これらの銀河の stellar masses や Hα の EW はどの程度で、分類とどう関係するか。

主な発見

ID	RA	Dec	F_Hα (10^-20 erg/s/cm^2)	F_Hβ (10^-20 erg/s/cm^2)	A_V	EW_Hα (Å)	zspec
1260	53.0748575	-27.875898	290 ± 82	<68	>1.40	68 ± 26	4.44
1548	53.1347898	-27.907492	463 ± 44	<72	>2.77	70 ± 9	4.43
1616	53.0766784	-27.8734698	3553 ± 104	<452	>3.49	331 ± 17	3.46
3012	53.0767591	-27.8641199	414 ± 50	<115	>0.80	149 ± 44	3.47
3339	53.1147448	-27.8904202	1495 ± 50	230 ± 31	2.83	304 ± 59	5.41
3640	53.0821208	-27.8598697	720 ± 94	<78	>4.03	146 ± 31	3.65
4307	53.1406347	-27.8813756	1137 ± 55	83 ± 26	5.40	375 ± 231	5.52
4490	53.0410546	-27.8544706	1829 ± 72	290 ± 42	2.74	484 ± 81	3.70
4820	53.034904	-27.8521791	1966 ± 46	225 ± 36	3.85	545 ± 103	3.79
5446	53.0279874	-27.8470862	1261 ± 51	<209	>2.58	267 ± 24	2.71
5510	53.1783286	-27.8702734	1369 ± 49	<264	>2.06	134 ± 6	3.47
5607	53.1233683	-27.8705379	434 ± 28	72 ± 28	2.58	346 ± 38	3.59
6151	53.0420756	-27.8426437	316 ± 36	<51	>2.65	2025 ± 176	4.38
12469	53.0446935	-27.8136318	2177 ± 50	323 ± 63	2.96	280 ± 17	3.55
12577	53.0484576	-27.8151421	1799 ± 66	146 ± 19	5.05	977 ± 67	5.23
7151	53.05672	-27.836383	1427 ± 67	<119	>4.8	2647 ± 93	3.79

• Median z_spec = 4.1 ± 0.7; all sources lie at z ≳ 3, with a peak around z ≈ 4.
• 13^{+9}_{-6}% (3/23) of the HST-dark sample are quiescent at z>3.
• Dusty HST-dark galaxies show A_V values from Balmer decrement typically >2.6 mag, with some cases exceeding A_V ≈ 5 mag.
• Dust attenuation derived from Balmer decrement is higher than continuum-based A_V from SED fitting, illustrating differential extinction between nebular and stellar regions.
• All dusty HST-dark galaxies are Hα emitters with rest-frame EWs ranging from ~68 Å to ~550 Å (except one AGN-dominated case with ~1000 Å).
• One quiescent galaxy (ID=8777, z=4.7) shows broad Hα indicating AGN activity; overall, AGN signatures are rare in the sample.

Figure 2: This figure presents spectral fitting examples for two distinct HST-dark galaxies: dusty and quiescent. Black lines denote the observed spectra, while the red lines depict Gaussian fits to spectral lines and the linear fitting to the continuum. (Top) The dusty HST-dark galaxy (ID=3339) pre