[논문 리뷰] Dusty Starbursts Masquerading as Ultra-high Redshift Galaxies in JWST CEERS Observations

Jorge A. Zavala, V. Buat외 122명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 03.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 제임스 웹 우주望遠경(JWST) CEERS 관측에서 고체 밀리미터파장에서 강한 먼지 복사가 발생하는 중간 적색이동(z ≈ 6–8)의 먼지가 많은 스타버스트 은하가 초고적색이동 은하(z > 10)의 광학적 서명을 모방할 수 있음을 보여준다. SED 모델링과 천체물리학적 질량 함수 제약 조건을 사용하여, 저자들은 z > 10에서 1 mJy의 밀리미터파 탐지가 비현실적으로 높은 항성 형성률(>100 M☉/yr)과 ΛCDM 제약 조건을 초월하는 먼지 질량을 암시함을 보여주며, 이러한 탐지의 진정한 기원은 보다 낮은 적색이동의 먼지가 많은 스타버스트로 강하게 지지된다.

ABSTRACT

Lyman Break Galaxy (LBG) candidates at z>10 are rapidly being identified in JWST/NIRCam observations. Due to the (redshifted) break produced by neutral hydrogen absorption of rest-frame UV photons, these sources are expected to drop out in the bluer filters while being well detected in redder filters. However, here we show that dust-enshrouded star-forming galaxies at lower redshifts (z<7) may also mimic the near-infrared (near-IR) colors of z>10 LBGs, representing potential contaminants in LBG candidate samples. First, we analyze CEERS-DSFG-1, a NIRCam dropout undetected in the F115W and F150W filters but detected at longer wavelengths. Combining the JWST data with (sub)millimeter constraints, including deep NOEMA interferometric observations, we show that this source is a dusty star-forming galaxy (DSFG) at z~5.1. We also present a tentative 2.6sigma SCUBA-2 detection at 850um around a recently identified z~16 LBG candidate in the same field and show that, if the emission is real and associated with this candidate, the available photometry is consistent with a z~5 dusty galaxy with strong nebular emission lines despite its blue near-IR colors. Further observations on this candidate are imperative to mitigate the low confidence of this tentative submillimeter emission and its positional uncertainty. Our analysis shows that robust (sub)millimeter detections of NIRCam dropout galaxies likely imply z=4-6 redshift solutions, where the observed near-IR break would be the result of a strong rest-frame optical Balmer break combined with high dust attenuation and strong nebular line emission, rather than the rest-frame UV Lyman break. This provides evidence that DSFGs may contaminate searches for ultra high-redshift LBG candidates from JWST observations.

연구 동기 및 목표

• 먼지가 많은 스타버스트 은하가 JWST CEERS 데이터에서 초고적색이동 은하로 잘못 식별될 수 있는지 조사하기.
• z > 10에서의 밀리미터파 탐지로부터 유추된 극도로 높은 항성 형성률과 먼지 질량이 얼마나 현실적인지 평가하기.
• 천체물리학적 질량 함수 제약 조건이 이러한 고적색이동 해석을 배제하는지 평가하기.
• 밀리미터/서브밀리미터 데이터를 활용해 고적색이동 은하 후보 샘플에서 낮은 적색이동의 간섭자(interloper)를 식별하는 방법 제공하기.

제안 방법

• NIRCam 및 SCUB2의 다중 파장 광도 측정값을 사용하여 CEERS-93316 및 CEERS-DSFG-1의 SED 피팅.
• 다양한 먼지 온도(T_d = 25–35 K)와 적색이동에 따라 변화하는 CMB 가열 효과를 고려한 수정 블랙바디 SED를 이용한 먼지 복사 모델링.
• Harrison & Hotchkiss(2013)의 은하형성 허브 질량 함수에서 유도된 최대 허브 질량 제약 조건과, ISM 대비 먼지 질량 비율(1/20 및 1/100)을 고려한 유추된 먼지 질량 비교.
• 우주론적 일관성을 평가하기 위해 질량-적색이동 평면에서 1σ, 2σ, 3σ의 배제 곡선 계산.
• 고적색이동에서 먼지 복사를 모델링하기 위해 da Cunha 등(2013)의 CMB 가열 보정을 사용.
• 이 연구와 Donnan 등(2022) 사이의 복사 세기 불일치를 체계적 광도 비교를 통해 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 6–8에서 먼지가 많은 스타버스트 은하가 JWST CEERS에서 z > 10 은하와 구분되지 않는 광학적 서명을 생성할 수 있는가?
• RQ2 고적색이동에서 CEERS 조사 부문 내 ΛCDM 천체물리학이 허용하는 최대 먼지 질량은 얼마인가?
• RQ3 z > 10에서 약 1 mJy의 밀리미터파 탐지가 관측된 고적색이동 은하의 항성 형성률과 부합하지 않는가?
• RQ4 CMB 가열 효과는 고적색이동에서 먼지 복사의 탐지 가능성과 대비도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 밀리미터/서브밀리미터 관측은 고적색이동 은하 후보 샘플에서 낮은 적색이동 간섭자를 효율적으로 식별할 수 있는가?

주요 결과

• z > 10에서 약 1 mJy의 밀리미터파 복사 세기 탐지는 항성 형성률이 100 M☉/yr를 초과함을 암시하며, 이는 관측된 z > 8 은하와 부합하지 않는다.
• z ≈ 15에서 요구되는 항성 형성률은 약 1,000 M☉/yr에 이르며, 이는 모든 알려진 고적색이동 천체보다 두 개의 지수 차수 높다.
• z > 10에서 1 mJy 소스에 대해 유추된 먼지 질량은 조사 부문 내 ΛCDM 천체물리학이 허용하는 최대 질량을 초과하며, 보수적인 ISM 대비 먼지 질량 비율을 고려한 경우에도 마찬가지다.
• T_d = 35 K를 가정할 경우, CEERS-DSFG-1 및 CEERS-93316에 대해 1σ 배제 곡선이 z > 10 해석을 1σ 수준에서 배제한다.
• 더 높은 먼지 온도(예: 50 K)를 가정하더라도, z > 12에서 요구되는 먼지 질량은 여전히 천체물리학적 제약 조건을 초과하므로 이러한 고적색이동 해석은 매우 불가능하다.
• 이 연구에서 사용된 광도는 Donnan 등(2022)의 결과보다 약 0.09 mag 더 밝으며, 이는 데이터 감쇠 및 보정 방식의 차이로 인한 것으로 보인다.