[論文レビュー] Witnessing the birth of the red sequence: the physical scale and morphology of dust emission in hyper-luminous starbursts in the early Universe

I. Oteo, R. J. Ivison+23 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、z ≈ 4–6 の44個の超赤外色を示すダストを含む星形成銀河（DSFG）を、高分解能のALMA 870 μm観測によって、そのダスト放射の形態と物理的サイズを調査した。これらの源は平均で約1.46 kpcのコンパクトなサイズを示し、ガス消費 timescale が短く、質量的にも大きく、赤く静止した銀河の前身である可能性が示された。これは、初期宇宙における赤シーケンスの高質量端の形成を示している。

ABSTRACT

We present high-spatial-resolution ($\sim 0.12''$ or $\approx 800 \, { m pc}$ at $z = 4.5$) ALMA $870\,μ$m dust continuum observations of a sample of 44 ultrared dusty star-forming galaxies (DSFGs) selected from the H-ATLAS and HerMES far-infrared surveys because of their red colors from 250 to 500 $μ$m: $S_{500} / S_{250} > 1.5$ and $S_{500} / S_{350} > 1.0$. With photometric redshifts in the range $z \sim 4$-6, our sample includes the most luminous starbursting systems in the early Universe known so far, with total obscured star-formation rates (SFRs) of up to $\sim 4,500 \, M_\odot \, { m yr}^{-1}$, as well as a population of lensed, less intrinsically luminous sources. The lower limit on the number of ultrared DSFGs at 870 $μ$m (with flux densities measured from the ALMA maps and thus not affected by source confusion) derived in this work is in reasonable agreement with models of galaxy evolution, whereas there have been reports of conflicts at 500 $μ$m (where flux densities are derived from SPIRE). Ultrared DSFGs have a variety of morphologies (from relatively extended disks with smooth radial profiles, to compact sources, both isolated and interacting) and an average size, $θ_{ m FWHM}$, of $1.46 \pm 0.41\, { m kpc}$, considerably smaller than the values reported in previous work for less-luminous DSFGs at lower redshifts. The size and the estimated gas-depletion times of our sources are compatible with their being the progenitors of the most massive, compact, red-and-dead galaxies at $z \sim 2$-3, and ultimately of local ultra-massive elliptical galaxies or massive galaxy clusters. We are witnessing the birth of the high-mass tail of the red sequence of galaxies.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における最も明るい星形成暴走銀河のダスト放射の物理的サイズと形態を特定すること。
• 高分解能ALMAデータを用いて、500 μm（SPIRE）における超赤色DSFGの観測数密度とモデル予測との乖離を解明すること。
• これらの超高輝度でダストを含む星形成暴走銀河が、z ≈ 2–3で観測された質量的かつコンパクトな静止銀河の前身であるかどうかを検証すること。
• 過去の遠赤外線サーベイで生じた数密度のバイアスの原因である、源の混在、ビームのぼやけ、フラックスの増幅効果を評価すること。
• 高赤方偏移星形成暴走銀河と、現在の超質量楕円銀河の形成との進化的リンクを確立すること。

提案手法

• 赤いSPIRE色（S500/S250 > 1.5、S500/S350 > 1.0）を満たす44個の超赤色ダストを含む星形成銀河（DSFG）を、H-ATLASおよびHerMESサーベイから選別した。これは高い赤方偏移（z ≈ 4–6）を示している。
• 空間分解能が約0.12″（z=4.5で800 pcに相当）の高分解能ALMA 870 μmダスト連続スペクトル観測を実施し、フラックス密度を測定するとともに、源の形態を解明した。
• 光度赤方偏移とSEDモデリングを用いて、全遮蔽星形成率（SFR）を推定した。個々の成分では最大で約2,400 M⊙ yr⁻¹に達した。
• ALMAによる870 μmの数密度とSPIREによる500 μmの数密度を比較し、ビームのぼやけやフラックス増幅の影響を評価した。
• ダスト放射成分の全波幅半値幅（FWHM）のサイズを測定し、物理的サイズとガス消費 timescale を推定した。
• サイズとSFR timescale の比較を通じて、これらのコンパクトで明るい星形成暴走銀河と、z ≈ 2–3で観測された質量的で静止した銀河との進化的リンクを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 4–6における最も明るい星形成暴走銀河のダスト放射の物理的サイズと形態的構造は何か？
• RQ2 SPIREによる500 μmでの超赤色DSFGの数密度がモデル予測と食い違うのはなぜか？一方、ALMAによる870 μmの数密度はなぜモデルと一致するのか？
• RQ3 これらの超高輝度でダストを含む星形成暴走銀河は、z ≈ 2–3で観測された質量的かつコンパクトな静止銀河の前身であるか？
• RQ4 これらの源のガス消費 timescale は、赤く静止した銀河の形成と消滅に必要な timescale と比べてどうか？
• RQ5 大きなSPIREビームによるビームのぼやけとフラックス増幅効果は、500 μmの数密度の信頼性にどの程度影響を与えているか？

主な発見

• 44個の超赤色DSFGにおけるダスト放射の平均FWHMサイズは1.46 ± 0.41 kpcであり、低赤方偏移でより明るさが低いDSFGの測定値よりも顕著に小さい。
• 源は滑らかなディスク、コンパクトな源、相互作用系など多様な形態を示しており、形成経路の多様性が示唆された。
• 全成分の総遮蔽星形成率は最大で約4,500 M⊙ yr⁻¹に達し、個々の成分では最大で約2,400 M⊙ yr⁻¹に達した。
• ガス消費 timescale は数億年程度と推定され、急速な消滅とコンパクトな静止銀河の形成と整合的である。
• ALMAによる870 μmの数密度は、銀河進化モデルと良好に一致しており、SPIREの500 μmデータで見られた矛盾を解消した。
• 500 μmでの観測の乖離は、大きなSPIREビームによるビームのぼやけとフラックス増幅効果に起因し、高分解能ALMA観測ではその影響がないことが判明した。