[論文レビュー] The ALPINE-ALMA [CII] Survey: The nature, luminosity function and star formation history of dusty galaxies up to z~6

C. Gruppioni, M. Béthermin+31 more|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|Jun 8, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 136被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、偶然検出されたALMA [CII]サーベイ源を用いて、z ≈ 6までのダストで覆われた銀河の最初の遠赤外線輝度関数と星形成率密度（SFRD）測定値を報告する。赤方偏移z ≈ 2.5からz ≈ 6にかけて、ほとんど変化のない平坦な赤外線輝度関数が示され、光学的に暗いダストで覆われた銀河がz ≈ 5におけるSFRDの約17%を占めていることが判明し、UVベースのSFR推定値および現在の銀河形成モデルに挑戦する結果となった。

ABSTRACT

We present the detailed characterisation of a sample of 56 sources serendipitously detected in ALMA band 7, as part of the ALMA Large Program to INvestigate CII at Early Times (ALPINE) in COSMOS and ECDFS. These sources have been used to derive the total infrared luminosity function (LF) and to estimate the cosmic star formation rate density (SFRD) up to z=6. We have looked for counterparts in all the available multi-wavelength and photometric redshift catalogues, and in deeper near- and mid-IR source lists and maps, to identify optically dark sources with no matches in the public catalogues. Our ALMA blind survey allows us to push further the study of the nature and evolution of dusty galaxies at high-z, identifying luminous and massive sources to redshifts and faint luminosities never probed before by any far-infrared surveys. The ALPINE data are the first ones to sample the faint-end of the infrared LF, showing little evolution from z=2.5 to z=6, and a flat slope up to the highest redshifts. The SFRD obtained by integrating the luminosity function remains almost constant between z=2 and 6, and significantly higher than the optical/UV derivations, showing an important contribution of dusty galaxies and obscured star formation up to high-z. About 14 per cent of the ALPINE serendipitous continuum sources are optically+near-IR dark (six show a counterpart only in the mid-IR and no HST or near-IR identification, while two are detected as [CII] emitters at z=5). The six HST and near-IR dark galaxies with mid-IR counterpart contribute for about 17 per cent of the total SFRD at z=5 and dominate the high-mass end of the stellar mass function at z>3.

研究の動機と目的

• 偶然検出されたALMA連続スペクトル源を用いて、高赤方偏移（z ≈ 6）におけるダストで覆われた銀河の性質と進化を特徴づけること。
• 遠赤外線サーベイの微弱な端末領域を埋めるために、z ≈ 0.5からz ≈ 6までの全赤外線輝度関数（LF）と宇宙的星形成率密度（SFRD）を導出すること。
• 特にミッド赤外線または[CII]でのみ検出される銀河を含め、光学的および近赤外線で暗い銀河が高赤方偏移における全SFRDおよび星質量関数に果たす寄与を定量化すること。
• ALPINEの結果が、既存のHerschelおよびSCUBA-2のLFと整合しているかを検証し、UVベースのSFRD推定値との乖離を評価すること。
• z > 3における高いSFRDおよび質量の大きなダストで覆われた銀河が、現在の銀河形成モデルおよびシミュレーションに与える影響を評価すること。

提案手法

• COSMOSおよびECDFS領域で、860 μmのフレックスが約0.3–12.5 mJyのALMAバンド7連続スペクトル源を56個特定した。
• HST、VLA、UltraVISTA、Spitzerなどの多波長カタログおよびより高感度のマップと照合し、光学的に暗い銀河を検出した。
• Sed fittingを用いて赤方偏移の推定と、静止系250 μmおよび全赤外線（8–1000 μm）輝度を導出した。
• ALPINEデータを用いて、z ≈ 0.5からz ≈ 6の赤方偏移ビンごとに、静止系250 μmおよび全赤外線輝度関数（LF）を構築した。
• 赤外線LFを統合して、赤方偏移全域における宇宙的星形成率密度（SFRD）を計算し、UVベースの推定値と比較した。
• HSTおよび近赤外線で暗い銀河（ミッド赤外線対応があるか否かにかかわらず）が全SFRDおよび星質量関数に果たす寄与を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダストで覆われた銀河の遠赤外線輝度関数は、z ≈ 0.5からz ≈ 6にかけてどのように進化するか。形状や正規化に顕著な変化があるか？
• RQ2 z ≈ 5における宇宙的星形成率密度（SFRD）のうち、光学的および近赤外線で暗い銀河が占める割合はどの程度か？
• RQ3 ALPINEの遠赤外線サーベイから得られたSFRD推定値は、z > 3におけるUV観測銀河から得られる推定値とどのように異なるか？
• RQ4 現在の銀河形成モデルは、z > 3における質量の大きなダストで覆われた銀河の観測された数密度および質量関数をどの程度再現できるか？
• RQ5 ダスト遮へい星形成は、宇宙の真昼（z ≈ 1–3）およびそれ以降において果たす役割は何か。なぜUVサーベイでは見逃されてしまうのか？

主な発見

• ALPINEサーベイは、z ≈ 2.5からz ≈ 6にかけて顕著な進化のない、赤方偏移範囲全域にわたる平坦な勾配を持つ、赤外線輝度関数（LF）の微弱な端末領域をサンプリングしている。
• 全赤外線輝度関数は、z ≈ 0.5からz ≈ 6にかけて正規化および形状がほとんど変化せず、高輝度域でも低下がないため、持続的なダストで覆われた星形成活動を示している。
• ALPINEの赤外線LFから導出した宇宙的星形成率密度（SFRD）は、z ≈ 2からz ≈ 6にかけてほぼ平坦であり、UVベースの推定値よりも顕著に高く、z ≈ 6では約10倍の差が生じている。
• ALPINEの偶然検出源の約14%が、光学的および近赤外線で暗い（Ks ~24.9 magまで）であり、うち6つはミッド赤外線でのみ検出され、2つはz ≈ 5での[CII]発光体として確認された。
• HSTおよび近赤外線で暗い銀河（ミッド赤外線対応あり）は、z ≈ 5における全SFRDの約17%を占め、z > 3における星質量関数の高質量端を支配している。
• z > 3における質量の大きなダストで覆われた銀河（M* > 10^10.7 M⊙）の数密度は、より質量の大きな静止銀河と同等であり、現在の半アナリティカルおよび流体力学的シミュレーションに挑戦する結果となった。