[論文レビュー] Unveiling the Nature of Infrared Bright, Optically Dark Galaxies with Early JWST Data

L. Barrufet, P. A. Oesch+19 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

CEERS調査の初期JWST NIRCam画像を用いて、この研究ではHubble紫外線調査で検出されない、ほこりに覆われた大質量星形成銀河（HSTダーク銀河）30個を同定した。これらはz ≈ 2–8で一般的であり、A_V ≈ 2 magおよびlog(M*/M☉) ≈ 10を示す。これらの銀河はz ≈ 7における宇宙の星形成率密度に顕著な寄与を示し、初期宇宙における銀河進化を理解する上で欠落していた重要な集団を明らかにした。

ABSTRACT

Over the last few years, both ALMA and Spitzer/IRAC observations have revealed a population of likely massive galaxies at $z>3$ that was too faint to be detected in HST rest-frame ultraviolet imaging. However, due to the very limited photometry for individual galaxies, the true nature of these so-called HST-dark galaxies has remained elusive. Here, we present the first sample of such galaxies observed with very deep, high-resolution NIRCam imaging from the Early Release Science Program CEERS. 30 HST-dark sources are selected based on their red colours across 1.6 $μ$m to 4.4 $μ$m. Their physical properties are derived from 12-band multi-wavelength photometry, including ancillary HST imaging. We find that these galaxies are generally heavily dust-obscured ($A_{V}\sim2$ mag), massive ($\log (M/M_{\odot}) \sim10$), star-forming sources at $z\sim2-8$ with an observed surface density of $\sim0.8$ arcmin$^{-2}$. This suggests that an important fraction of massive galaxies may have been missing from our cosmic census at $z>3$ all the way into the Reionization epoch. The HST-dark sources lie on the main sequence of galaxies and add an obscured star formation rate density (SFRD) of $\mathrm{3.2^{+1.8}_{-1.3} imes 10^{-3} M_{\odot}/yr/Mpc^{3}}$ at $z\sim7$ showing likely presence of dust in the Epoch of Reionization. Our analysis shows the unique power of JWST to reveal this previously missing galaxy population and to provide a more complete census of galaxies at $z=2-8$ based on rest-frame optical imaging.

研究の動機と目的

• Hubbleによる赤外線に優位なが、光学的に暗いが、ほこりによる遮蔽のためHubble紫外線調査で見過ごされた銀河の同定と特徴付け。
• 深さと高解像度のJWST NIRCam画像と多波長光度測定を用いて、これらのHSTダーク銀河の物理的性質を特定すること。
• 特に再電離期に近い高赤方偏移域における、これらの銀河が宇宙の星形成率密度（SFRD）に果たす貢献を評価すること。
• 初期の大質量銀河におけるほこりの役割を評価し、それらの源が過去の紫外線ベースの調査で系統的に欠落していた可能性を検証すること。
• JWSTが、レストフレーム光学画像を用いて高赤方偏移銀河の包括的同定を可能にする独自の能力を示すこと。

提案手法

• CEERSのNIRCam画像における1.6 μmと4.4 μmの間の赤色色から、30個のHSTダーク源を選定。
• HSTおよびJWSTデータを含む12バンドの多波長光度測定を用いて、スペクトルエネルギー分布（SED）フィッティングを実施し、赤方偏移、星形成率、星質量、ほこりの減光を導出。
• 星族合成モデルを用いたbagpipes SEDフィッティングコードを用いて、光度赤方偏移および物理的パラメータを補正。
• 調査領域および赤方偏移分布を考慮した、共動体積上でサンプルの星形成率を統合することで、宇宙の星形成率密度（SFRD）を推定。
• 過去のHSTダーク銀河研究およびSMG集団と比較し、本研究の意義を文脈づけた。
• Mikulski Space Telescope Archive（MAST）を用いて、ステージ2の補正済みJWSTデータにアクセスおよび処理。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hubble紫外線調査で検出されなかった赤外線に明るいが、光学的に暗い銀河の真の性質は何か？
• RQ2 これらのHSTダーク銀河はz > 3でどれほど一般的であり、星質量、ほこりの減光、星形成率といった物理的性質は何か？
• RQ3 これらの銀河はz ≈ 7における宇宙の星形成率密度（SFRD）にどの程度貢献しているか、特に再電離期にかけての寄与は？
• RQ4 z > 6に大質量でほこりに覆われた銀河が存在するのか？その存在は初期宇宙におけるほこり形成と銀河進化にどのような意味を持つのか？
• RQ5 これらの銀河を含めることで、レストフレーム光学および紫外線データに基づく高赤方偏移銀河の同定の完全性はどのように変化するか？

主な発見

• 30個のHSTダーク銀河の80%が赤方偏移3 ≤ z ≤ 8に位置し、8個がz > 6に同定され、再電離期に大質量でほこりに覆われた銀河の有意な集団であることが示された。
• これらの銀河は重度のほこり遮蔽を受けており、中央値としてA_V ≈ 1.9 ± 0.4 magの減光を示し、レストフレーム光学〜近赤外域で顕著な赤みを示していることが確認された。
• 星質量は高く、z > 6サブサンプルの中央値がlog(M*/M☉) = 9.9 ± 0.3であり、低質量の矮星銀河ではなく、大質量の星形成系であることが示された。
• HSTダーク銀河はz ≈ 7における星形成率密度（SFRD）を3.2⁺¹.⁸₋₁.³ × 10⁻³ M☉/yr/Mpc³が貢献し、z ≈ 3.3からz ≈ 7にかけてほぼ一定の貢献を示した。
• これらの銀河は星形成銀河のメインシーケンス上に位置しており、極端なSMGではなく、より一般的な中程度の星形成率を示すほこりに覆われた銀河の集団であることが示唆された。
• HSTダーク銀河の表面密度は約0.8 arcmin⁻²であり、高赤方偏移銀河集団において顕著でかつこれまでに欠落していた重要な構成要素であることが示された。