[論文レビュー] The ALMA-CRISTAL survey: Widespread dust-obscured star formation in typical star-forming galaxies at z=4-6

Ikki Mitsuhashi, Ken-ichi Tadaki+30 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、赤方偏移z=4–6の典型的な星形成銀河におけるダスト遮へい星形成を、CRISTAL調査のALMA観測により調査する。広がったディスク上に広がる中程度に遮へいされた星形成が広く存在し、ダスト放射のサイズは約1.5 kpc（UVサイズの2倍）であり、赤外線表面密度は、凝縮したダスト星爆発星形成銀河と比べて1桁低い。これは、集中したバーストではなく、静穏でディスク全体に広がった星形成であることを示している。

ABSTRACT

We present the morphological parameters and global properties of dust-obscured star formation in typical star-forming galaxies at z=4-6. Among 26 galaxies composed of 20 galaxies observed by the Cycle-8 ALMA Large Program, CRISTAL, and six galaxies from archival data, we have individually detected rest-frame 158$μ$m dust continuum emission from 19 galaxies, nine of which are reported for the first time. The derived far-infrared luminosities are in the range $\log_{10} L_{ m IR}\,[L_{\odot}]=$10.9-12.4, an order of magnitude lower than previously detected massive dusty star-forming galaxies (DSFGs). The average relationship between the fraction of dust-obscured star formation ($f_{ m obs}$) and the stellar mass is consistent with previous results at z=4-6 in a mass range of $\log_{10} M_{\ast}\,[M_{\odot}]\sim$9.5-11.0 and show potential evolution from z=6-9. The individual $f_{ m obs}$ exhibits a significant diversity, and it shows a correlation with the spatial offset between the dust and the UV continuum, suggesting the inhomogeneous dust reddening may cause the source-to-source scatter in $f_{ m obs}$. The effective radii of the dust emission are on average $\sim$1.5 kpc and are $\sim2$ times more extended than the rest-frame UV. The infrared surface densities of these galaxies ($Σ_{ m IR}\sim2.0 imes10^{10}\,L_{\odot}\,{ m kpc}^{-2}$) are one order of magnitude lower than those of DSFGs that host compact central starbursts. On the basis of the comparable contribution of dust-obscured and dust-unobscured star formation along with their similar spatial extent, we suggest that typical star-forming galaxies at z=4-6 form stars throughout the entirety of their disks.

研究の動機と目的

• z=4–6における典型的な星形成銀河のダスト遮へい星形成の形態と全般的な性質を特徴づけること。
• 高赤方偏移銀河におけるダスト放射の空間的広がりとUV連続スペクトルに対する表面密度を特定すること。
• ダストの赤みが観測された星形成の遮へい割合（f_obs）の多様性を形作る要因としての役割を評価すること。
• 極端にダストに覆われた星爆発銀河（DSFGs）と比較して、典型的な星形成銀河の星形成性質を評価すること。

提案手法

• ALMA Cycle-8観測を20個の銀河に対して実施し、z=4–6の6個の銀河についてはアーカイブデータを併用した。
• UVMultifitを用いた可視性平面フィッティングにより、158 μmの静止系ダスト連続スペクトルを測定し、遠赤外線輝度とダスト放射のサイズを導出する。
• HST/F160W画像からの静止系UVサイズと比較することで、空間的オフセットと構造的差異を評価する。
• 低SN比の源に対してスタッキング解析を実施し、個々のサイズ測定の妥当性と系統的バイアスを検証する。
• 固定(n=1)と自由nの両方のSérsicプロファイルフィッティングを用いて、UVサイズ推定値が構造的仮定にどれほど敏感であるかをテストする。
• 遮へい星形成の割合（f_obs）を定量化し、UVとダスト成分の間の空間的オフセットと相関をとる。

Figure 1: SFR vs stellar mass with $z=5$ main-sequence parameterization (Speagle et al., 2014 ) and comparison $z=4$ –6 galaxies in the COSMOS catalog (Laigle et al., 2016 ) . Pink squares are primary targets of the CRISTAL program and blue squares are serendipitously detected galaxies and additiona

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=4–6における典型的な星形成銀河のダスト放射の空間的広がりと形態は何か？
• RQ2 ダスト遮へい星形成の割合（f_obs）は、星の質量とUVとダスト成分の空間的オフセットとどのように相関するか？
• RQ3 これらの典型的な銀河の赤外線表面密度は、凝縮した高赤方偏移ダスト星爆発銀河（DSFGs）と比べてどう異なるか？
• RQ4 不均一なダスト分布が、個々の銀河におけるf_obsの観測された散乱をどれほど説明できるか？
• RQ5 これらの銀河における星形成は、集中した領域に限定されているのか、それとも広がったディスク全体に広がっているのか？

主な発見

• 静止系158 μmダスト連続スペクトルは26個中19個の銀河で検出され、そのうち9個は新たな検出であり、遠赤外線輝度はlog₁₀(L_IR/L☉) = 10.9から12.4の範囲にあった。
• 平均してダスト放射の有効半径は約1.5 kpcであり、静止系UV放射の約2倍の大きさであり、ダストと星形成がより広がっていることを示している。
• 赤外線表面密度（Σ_IR ~ 2.0 × 10¹⁰ L☉ kpc⁻²）は、凝縮した高赤方偏移DSFGsと比べて1桁低い。
• 遮へい星形成の割合（f_obs）は、UVとダスト成分の間の空間的オフセットと相関しており、観測された散乱の原因として不均一なダストの赤みが関与している可能性を示唆している。
• ダストとUV放射の空間的広がりが類似していることから、星形成は集中した中心領域に限定されておらず、ディスク全体に広がっていることが示唆される。
• スタッキング解析により、個々のサイズ測定が信頼できることが確認され、スタックサイズ（0.209″ ± 0.061″）は1σの不確実性内において、個々のサイズの平均（0.237″）と一致している。

Figure 2: Thumbnails of the dust detected CRISTAL galaxies. The background images are HST /F160W images. The natural-weighted and natural-weighted+ $0.5^{\prime\prime}$ -Tapered rest-frame 158 $\mu{\rm m}$ dust continuums are also shown in red and blue contours, respectively. An average beam size of