[論文レビュー] The ALPINE-ALMA [CII] survey

Yoshinobu Fudamoto, Pascal A. Oesch+35 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 92被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、ALMA [CII] および遠赤外線連続スペクトルデータを用いて、z ∼4.4–5.8 の118個の主系列星形成銀河におけるダスト減光を分析した。赤方偏移が4未満のときと比較して、IRX–β関係がより急で、遮蔽された星形成率の割合が低いことが判明し、宇宙再電離期におけるダスト性質の急速な進化を示唆している。特に、z ∼5–6 の質量の大きな銀河では、星形成の約45％が遮蔽されているが、これはより高い赤方偏移からの著しい低下を示している。

ABSTRACT

We present dust attenuation properties of spectroscopically confirmed star forming galaxies on the main sequence at a redshift of ~4.4-5.8. Our analyses are based on the far infrared continuum observations of 118 galaxies at rest-frame 158μm obtained with the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) Large Program to INvestigate [CII] at Early times (ALPINE). We study the connection between the ultraviolet (UV) spectral slope ($β$), stellar mass (M_*), and infrared excess (IRX=L_IR/L_UV). Twenty-three galaxies are individually detected in the continuum at >3.5 sigma significance. We perform a stacking analysis using both detections and nondetections to study the average dust attenuation properties at z~4.4-5.8. The individual detections and stacks show that the IRX-$β$ relation at z~5 is consistent with a steeper dust attenuation curve than typically found at lower redshifts (z<4). The attenuation curve is similar to or even steeper than that of the extinction curve of the Small Magellanic Cloud (SMC). This systematic change of the IRX-$β$ relation as a function of redshift suggests an evolution of dust attenuation properties at z>4. Similarly, we find that our galaxies have lower IRX values, up to 1dex on average, at a fixed mass compared to previously studied IRX-M_* relations at z<4, albeit with significant scatter. This implies a lower obscured fraction of star formation than at lower redshifts. Our results suggest that dust properties of UV-selected star forming galaxies at z>4 are characterised by (i) a steeper attenuation curve than at z<4, and (ii) a rapidly decreasing dust obscured fraction of star formation as a function of redshift. Nevertheless, even among this UV-selected sample, massive galaxies (log M_*/$M_\odot$>10) at z~5-6 already exhibit an obscured fraction of star formation of ~45%, indicating a rapid build-up of dust during the epoch of reionization.

研究の動機と目的

• 遠赤外線連続スペクトルデータを用いて、z ∼4.4–5.8 の高赤方偏移星形成銀河におけるダスト減光特性を測定すること。
• z ≲4 よりも高い赤方偏移で、IRX–βおよびIRX–M⋆関係の進化を調査すること。
• z ≳5 のUV選択銀河における星形成の遮蔽された割合を定量化し、SFR密度推定値の不確実性を解消すること。
• z > 4 において、標準的なダスト補正法（例：M99関係）が、IR放射度を最大で1 dex過大評価する可能性があるかどうかを評価すること。

提案手法

• ALMA Large Programのデータを活用し、z ∼4.4–5.8 の118個の分光的に確認された星形成銀河について、静止系158 µmのダスト連続スペクトルを測定した。
• 検出済みおよび非検出の両源に対して個別検出とスタッキング解析を実施し、平均的なダスト減光特性を導出した。
• UVスペクトル勾配（β）および星の質量（M⋆）を用いて、IRX–βおよびIRX–M⋆関係を構築した。IRXはLIR/LUVとして定義された。
• UV減光曲線の勾配をフィットし、局所テンプレート（例：M99、SMC）と比較して、ダストの幾何学的配置および粒子性質を評価した。
• 遮蔽された星形成の割合（fobs）を fobs = LIR/(LIR + LUV) として計算し、低赤方偏移の関係と比較した。
• Chabrier初期質量関数および宇宙論的パラメータ（Ωm=0.3, ΩΛ=0.7, h=0.7）を用いて、一貫性のある光度およびSEDモデリングを行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ∼4.4–5.8 におけるIRX–βおよびIRX–M⋆関係は、z < 4 のそれらとどのように異なるか？
• RQ2 質量の大きなUV選択銀河における星形成の遮蔽された割合は、z ∼5–6 でどの程度で、赤方偏移とともにどのように変化するか？
• RQ3 標準的なM99ダスト減光則は、高赤方偏移銀河に対して有効であるか、それともより急な曲線が要求されるか？
• RQ4 既存のダスト補正法は、z > 4 の銀河において、IR放射度およびSFRをどの程度過大評価するか？
• RQ5 観測されたダストの進化は、z ≳5 における主要なダスト生成メカニズムについて何を示唆するか？

主な発見

• z ∼5 におけるIRX–β関係は、M99関係よりも顕著に急で、βUV > −1.5 の場合に平均的なIRX値が0.5 dex低く、より急なダスト減光曲線を示している。
• 減光曲線は、小マゼラン雲（SMC）の消光曲線と一致するか、それ以上に急で、z ≳5 における異なるダスト粒子性質を示唆している。
• z ∼5.5 におけるIRX–M⋆関係は、z ≲3 で報告されたすべての関係の下に位置し、質量の大きな銀河（log M⋆/M⊙ > 10）ではIR放射度が約1 dex過大予測されている。
• 質量の大きな銀河（M⋆ ∼1–3×10¹⁰ M⊙）において、星形成の遮蔽された割合（fobs）は、z ∼4.5 で約65％からz ∼5.5 で約45％に低下しており、急速な進化を示している。
• UV選択銀河の中でも、質量の大きな z ∼5–6 の銀河は、約45％の大きな遮蔽された割合を示しており、再電離期におけるダストの急速な蓄積を示唆している。
• z > 4 の赤く質量の大きな銀河において、z < 4 でキャリブレーションされた標準的なダスト補正法は、IR放射度およびSFRを最大で1 dex過大評価しており、再キャリブレーションが不可欠である。