[논문 리뷰] Cold Dust and Low [OIII]/[CII] Ratios: an Evolved Star-forming Population at Redshift 7

Hiddo Algera, Hanae Inami외 18명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 23.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 REBELS 조사에서 확보한 세 개의 질량이 크고 고적색 이동(z≈7) 성간 은하에 대해 ALMA 밴드 8 관측을 수행하여, 두 성간 은하에서 냉각된-dust(T_dust ≈ 30–35 K)와 낮은 [OIII]/[CII] 선 비율을 검출하였다. 이러한 결과는 별 형성의 비폭발적, 진화된 특성을 지닌 먼지가 풍부한 성간 은하의 집단이 존재하며, z≈7 은하가 주로 별 폭발에 의해 주도된다는 가정에 도전하고 있으며, 초기 우주에서 먼지가 조기에 풍부해졌고 질적 성장이 일어나는 거대 성간 은하의 특성에 대한 증거를 제공한다.

ABSTRACT

We present new ALMA Band 8 (rest-frame $90\,μ$m) observations of three massive ($M_\star \approx 10^{10}\,M_\odot$) galaxies at $z\approx7$ previously detected in [CII]$158\,μ$m and underlying dust continuum emission in the Reionization Era Bright Emission Line Survey (REBELS). We detect the dust continuum emission of two of our targets in Band 8 (REBELS-25 and REBELS-38), while REBELS-12 remains undetected. Through modified blackbody fitting we determine cold dust temperatures ($T_\mathrm{dust} \approx 30 - 35\,$K) in both of the dual-band detected targets, given a fiducial model of optically thin emission with $β= 2.0$. Their dust temperatures are lower than most $z\sim7$ galaxies in the literature, and consequently their dust masses are higher ($M_\mathrm{dust} \approx 10^{8}\,M_\odot$). Nevertheless, these large dust masses are still consistent with predictions from models of dust production in the early Universe. In addition, we target and detect [OIII]$88\,μ$m emission in both REBELS-12 and REBELS-25, and find $L_\mathrm{[OIII]} / L_\mathrm{[CII]}$ ratios of approximately unity, low compared to the $L_\mathrm{[OIII]} / L_\mathrm{[CII]} \gtrsim 2 - 10$ observed in the known $z\gtrsim6$ population thus far. We argue the lower line ratios are due to a comparatively weaker ionizing radiation field resulting from the less starbursty nature of our targets. This low burstiness supports the cold dust temperatures and below average $\mathrm{[OIII]}λ\lambda4959,5007 + \mathrm{H}β$ equivalent widths of REBELS-25 and REBELS-38, compared to the known high-redshift population. Overall, this provides evidence for the existence of a massive, dust-rich galaxy population at $z\approx7$ which has previously experienced vigorous star formation, but is currently forming stars in a steady, as opposed to bursty, manner.

연구 동기 및 목표

• 질량이 크고 고적색 이동 z≈7 성간 은하의 먼지 및 간성간 매질 특성을 연구하며, 특히 [CII] 복사가 감지된 경우에 중점을 둔다.
• 이 성간 은하에서 관측된 냉각된 먼지 온도와 낮은 [OIII]/[CII] 선 비율이 비폭발적, 진화된 별 형성 역사를 시사하는지 확인한다.
• 관측된 먼지 특성이 초기 은하에서 먼지 생성과 복사 평형 이론 모델과 일치하는지 평가한다.
• 단일 밴드 ALMA 데이터에서 유도된 먼지 온도 및 질량 추정에 영향을 주는 먼지 온도 사전 정보와 덩어리 구조 가정의 영향을 평가한다.

제안 방법

• 이전에 [CII] 및 먼지 연속 스펙트럼에서 감지된 세 개의 z≈7 은하에 대해 깊은 ALMA 밴드 8(고정 프레임 90 μm) 연속 관측을 수행하였다.
• β = 2.0로 가정하여, 투명한 복사 조건에서의 수정 블랙바디(MBB) 피팅을 통해 먼지 SED에 적용하였다.
• 두 성간 은하에서 [OIII] 88 μm 복사를 측정하여 L_[OIII]/L_[CII] 선 비율을 계산하고 이온화 복사장 강도를 평가하였다.
• Fudamoto 등 (2022a)의 단일 밴드 먼지 온도 모델을 적용하였으며, 자외선 빛의 세기와 적외선 영역 크기를 사용하여 복사 평형 조건 하에서 먼지 온도를 예측하였다.
• 관측된 먼지 온도와 선 비율을 별 집단 합성 및 먼지 진화 모델의 예측과 비교하였으며, 폭발성과 덩어리 구조 매개변수를 조정하였다.
• 다양한 밴드 ALMA 감지가 있는 9개의 z>6 은하에 대한 문헌 데이터를 재분석하여 결과를 고적색 이동 은하 전체 집단의 맥락에서 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질량이 큰 z≈7 은하에서 일반적인 별 폭발 모델과 일치하지 않는 냉각된 먼지 온도를 나타내는가?
• RQ2 낮은 [OIII]/[CII] 선 비율은 이러한 은하의 이온화 복사장과 별 형성 역사에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ3 z≈7 은하에서 냉각된 먼지 온도와 높은 먼지 질량은 비폭발적, 진화된 별 형성에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ4 제한된 광도 측정이 있는 고적색 이동 은하에서 단일 밴드 먼지 온도 모델과 다중 밴드 MBB 피팅 간의 비교는 어떻게 되는가?
• RQ5 관측된 먼지 특성은 초기 우주에서 먼지 생성의 이론적 예측과 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 세 개의 z≈7 은하 중 두 개(REBELS-25 및 REBELS-38)는 T_dust ≈ 30–35 K의 냉각된 먼지 온도를 보였으며, 문헌에서 일반적으로 관측된 z≈7 은하와 비교해도 현저히 낮은 온도이다.
• 이 은하들의 먼지 질량은 M_dust ≈ 10^8 M_sun로 매우 높으며, 초기 은하에서 먼지 생성 모델과 일치한다.
• REBELS-12 및 REBELS-25에서 [OIII]/[CII] 선 비율은 약 일치하며, 다른 z>6 은하에서 관측된 일반적인 2–10보다 훨씬 낮다.
• 낮은 선 비율은 더 약한 이온화 복사장 강도를 시사하며, 이는 이러한 은하에서 폭발적이지 않고 더 안정된 별 형성 역사를 의미한다.
• 관측된 먼지 특성은 최근의 별 폭발이 아닌, 안정적인 별 형성과 함께 진화된 거대 은하 집단에 의해 가장 잘 설명된다.
• Fudamoto 등 (2022a)의 단일 밴드 먼지 온도 모델은 MBB 피팅 결과와 양호한 일치를 보였지만, 덩어리 구조 가정으로 인해 약 11 K의 체계적 오차가 존재한다.