[논문 리뷰] ALMA FIR View of Ultra High-redshift Galaxy Candidates at $z\sim$ 11-17: Blue Monsters or Low-$z$ Red Interlopers?

Seiji Fujimoto, Steven L. Finkelstein외 51명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 07.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 41인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 ALMA 적외선 관측을 통해 z∼11–17의 초고적도 은하 후보들이 진정으로 고적도 별 형성 은하인지, 아니면 먼지가 많은 AGN이나 강한 선량을 가진 침체 은하와 같은 저적도 오염자인지 테스트한다. 대부분의 후보자들에 대해 유형-II 및 먼지가 많은 유형-I QSO/AGN 모델이 고적도 모델보다 더 나은 SED 피팅을 보이며, Δχ² ≤ 4이므로 저적도 오염자가 배제될 수 없다. 특히 HD1과 GHZ1/GLz11에 대해 더욱 그렇다.

ABSTRACT

We present ALMA Band~7 observations of a remarkably bright galaxy candidate at $z_{ m phot}$=$16.7^{+1.9}_{-0.3}$ ($M_{ m UV}$=$-21.6$), S5-z17-1, identified in JWST Early Release Observation data of Stephen's Quintet. We do not detect the dust continuum at 866~$μ$m, ruling out the possibility that argb\ is a low-$z$ dusty starburst with a star-formation rate of $\gtrsim 30$~$M_{\odot}$~yr$^{-1}$. We detect a 5.1$σ$ line feature at $338.726\pm0.007$~GHz exactly coinciding with the JWST source position, with a 2\% likelihood of the signal being spurious. The most likely line identification would be [OIII]52$μ$m at $z=16.01$ or [CII]158$μ$m at $z=4.61$, whose line luminosities do not violate the non-detection of the dust continuum in both cases. Together with three other $z\gtrsim$ 11--13 candidate galaxies recently observed with ALMA, we conduct a joint ALMA and JWST spectral energy distribution (SED) analysis and find that the high-$z$ solution at $z\sim$11--17 is favored in every candidate as a very blue (UV continuum slope of $\simeq-2.3$) and luminous ($M_{ m UV}\simeq[-$24:$-21]$) system. Still, we find in several candidates that reasonable SED fits ($Δ$ $χ^{2}\lesssim4$) are reproduced by type-II quasar and/or quiescent galaxy templates with strong emission lines at $z\sim3$--5, where such populations predicted from their luminosity functions and EW([OIII]+H$β$) distributions are abundant in survey volumes used for the identification of the $z\sim$11--17 candidates. While these recent ALMA observation results have strengthened the likelihood of the high-$z$ solutions, lower-$z$ possibilities are not completely ruled out in several of the $z\sim$11--17 candidates, indicating the need to consider the relative surface densities of the lower-$z$ contaminants in the ultra high-$z$ galaxy search.

연구 동기 및 목표

• z∼11–17의 초고적도 은하 후보들이 진정으로 고적도 별 형성 은하인지, 아니면 저적도 오염자인지 평가하기.
• 먼지가 많은 AGN과 강한 선량을 가진 침체 은하가 관측된 SED에 대한 대안적 설명으로서의 타당성을 평가하기.
• z>11 은하 탐색에서 저적도 오염자의 상대 표면 밀도를 정량화하기.
• HD1과 같은 후보자들의 극도로 파란색이고 적외선으로 흐린 특성들이 고적도 별 형성과 저적도 AGN 활동 중 어느 쪽과 일치하는지 평가하기.
• 저적도 AGN 시나리오에서 먼지 감쇠와 이온화 배경의 물리적 타당성 검토하기.

제안 방법

• 10개의 z∼11–17 은하 후보에 대해 ALMA 1.3 mm 연속 및 선 관측을 확보하여 적외선 복사 방출을 탐색함.
• CIGALE와 Interferopy를 사용하여 UV–적외선 파장에서 관측된 광도를 피팅하기 위해 SED 모델을 구축함.
• 고적도 별 형성 은하 템플릿과 저적도 템플릿(유형-II 및 먼지가 많은 유형-I QSO/AGN, 선량이 강한 침체 은하 포함)을 비교함.
• χ² 통계를 사용하여 모델 피팅을 평가하며, Δχ² ≤ 4는 수용 가능한 피팅을 의미함.
• 에미션 선 등가폭(예: [O iii]+Hβ) 분석을 통해 AGN 활동과 별 형성 활동을 구분함.
• 저적도 AGN 시나리오의 물리적 일관성 평가(먼지 감쇠 및 이온화 배경 효과 포함).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z∼11–17 은하 후보자들이 관측된 SED는 고적도 별 형성과 저적도 AGN 중 어느 것으로 더 잘 설명될 수 있는가?
• RQ2 관측된 천구에서 저적도 오염자(예: 먼지가 많은 AGN, 침체 은하)의 상대 표면 밀도는 고적도 은하와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 HD1과 기타 후보자들의 극도로 파란색이고 적외선으로 흐린 특성은 고적도 별 형성과 저적도 AGN 활동 중 어느 것으로 일치하는가?
• RQ4 관측된 연속 스펙트럼의 붕괴(예: F115W와 F150W 사이)는 적도와 SED 피팅 해석에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 저적도 AGN 모델에서 강한 에미션 선과 빨간색 연속 스펙트럼이 고적도 은하 탐색에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 대부분의 z∼11–17 후보자들에 대해 유형-II 및/또는 먼지가 많은 유형-I QSO/AGN 모델이 고적도 별 형성 은하 모델보다 더 나은 SED 피팅을 보이며, Δχ² ≤ 4임.
• 모든 조사 범위에서 침체 은하에 AGN가 함께 있는 경우(QG+AGN)의 밀도는 극히 낮으며, HD1를 제외하고는 유의미한 일치가 없음.
• 먼지가 많은 유형-II 및 유형-I QSO/AGN의 인구는 예상 수밀도 측면에서 z∼11–17 모든 후보자들을 초월함.
• 유형-II QSO 및 강한 선량을 가진 침체 은하(QG)의 SED 템플릿은 GHZ1/GLz11를 제외한 모든 후보자에 대해 수용 가능한 피팅(Δχ² ≤ 4)을 제공함.
• GHZ1/GLz11의 연속 스펙트럼 붕괴는 저적도 AGN 모델과 일치하지 않으며, 고적도 기원을 지지하지만, 다른 후보자들에 대해서는 저적도 대안이 여전히 타당함.
• 이 연구는 저적도 오염자, 특히 먼지가 많은 AGN가 몇몇 고적도 후보자들에 대해 배제될 수 없다고 결론 내리며, 초고적도 은하 탐색에서 이들의 표면 밀도를 고려해야 한다는 필요성을 강조함.