[논문 리뷰] Mapping dusty galaxy growth at $z>5$ with FRESCO: Detection of H$α$ in submm galaxy HDF850.1 and the surrounding overdense structures

Thomas Herard-Demanche, R. J. Bouwens외 22명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 08.

Galaxies: Formation, Evolution, PhenomenaPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 JWST의 FRESCO 프로그램에서 수행한 NIRCam 격자 스펙트로스코피를 통해 z > 5에서 처음으로 안전하게 Hα를 탐지한 결과를 보고한다. HDF850.1은 submillimeter 은하로서, 13σ의 Hα 탐지가 이루어졌으며, 이는 z ≈ 5.18에서 100개의 은하를 수반하는 고적색변위 응집체를 확인함으로써, HDF850.1이 향후 z ≈ 0에 이르러 >10¹⁴ M☉의 거대 은하단으로 진화할 가능성이 높은 밀도 높은 원시은하단 내에 위치해 있음을 시사한다. 이 환경에서는 별 형성률(SFR)과 질량이 증가해 있는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

We report the detection of a 13$σ$ H$α$ emission line from HDF850.1 at $z=5.188\pm0.001$ using the FRESCO NIRCam F444W grism observations. Detection of H$α$ in HDF850.1 is noteworthy, given its high far-IR luminosity, substantial dust obscuration, and the historical challenges in deriving its redshift. HDF850.1 shows a clear detection in the F444W imaging data, distributed between a northern and southern component, mirroring that seen in [CII] from the Plateau de Bure Interferometer. Modeling the SED of each component separately, we find that the northern component has a higher mass, star formation rate (SFR), and dust extinction than the southern component. The observed H$α$ emission appears to arise entirely from the less-obscured southern component and shows a similar $Δ$v$\sim$+130 km/s velocity offset to that seen for [CII] relative to the source systemic redshift. Leveraging H$α$-derived redshifts from FRESCO observations, we find that HDF850.1 is forming in one of the richest environments identified to date at $z>5$, with 100 $z=5.17-5.20$ galaxies distributed across 10 structures and a $\sim$(15 cMpc)$^3$ volume. Based on the evolution of analogous structures in cosmological simulations, the $z=5.17-5.20$ structures seem likely to collapse into a single $>$10$^{14}$ $M_{\odot}$ cluster by $z\sim0$. Comparing galaxy properties forming within this overdensity with those outside, we find the masses, SFRs, and $UV$ luminosities inside the overdensity to be clearly higher. The prominence of H$α$ line emission from HDF850.1 and other known highly-obscured $z>5$ galaxies illustrates the potential of NIRCam-grism programs to map both the early build-up of IR-luminous galaxies and overdense structures.

연구 동기 및 목표

• JWST NIRCam 격자 스펙트로스코피를 사용하여 z > 5에서 매우 은폐되어 있고 far-IR에서 높은 빛을 내는 submillimeter 은하인 HDF850.1의 Hα 방출을 탐지하는 것.
• Hα 및 보조 데이터를 이용하여 HDF850.1의 적색변위와 물리적 성질을 규명하는 것.
• 은하 응집체의 환경이 초기 은하 성장에 미치는 영향을 평가하기 위해 응집체 내외의 은하 성질을 비교하는 것.
• NIRCam 격자 스펙트로스코피가 먼 은하와 그 광역 환경을 맵핑하는 데 얼마나 효과적인지 평가하는 것.

제안 방법

• FRESCO 프로그램에서 확보한 깊은 NIRCam F444W 격자 관측을 활용하여 Hα 방출 탐지로 인한 스펙트럼적 적색변위를 확보했다.
• 격자 스펙트럼에서 소스 추출 및 밝기 측정을 수행하여 z = 5.188 ± 0.001에서 13σ의 Hα 방출선을 식별했다.
• HDF850.1의 북부 및 남부 구성요소를 별도로 분석하여 스펙트럼 에너지 분포(SED) 모델링을 수행하여 은하 질량, SFR 및 먼지 투과율을 유도했다.
• Hα로 유도된 적색변위를 기존의 submillimeter 및 [CII] 데이터와 교차 매칭하여 z ≈ 5.17–5.20 범위에서 10개의 구조에 걸쳐 총 100개의 은하로 구성된 큰 응집체를 확인했다.
• 우주론적 시뮬레이션을 활용하여 응집체가 향후 z ≈ 0에 이르러 거대한 은하단으로 진화할 가능성을 추론했다.
• 응집체 내외의 은하 성질(질량, SFR, UV 등화도)을 비교하여 환경적 영향을 평가했다.

Figure 1: Images centered on HDF850.1 from both HST in the F814W band ( left panel ) and JWST /NIRCam in the F182M+F210M ( center panel ) and F444W bands ( right panel ). The blue and red solid lines contours in the left panel show the 3, 4, 5, 6, 7, and 8 $\sigma$ contours for [CII] emission from t

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JWST를 이용하여 z > 5에서 Hα 방출을 안전하게 탐지할 수 있는가? HDF850.1의 적색변위와 물리적 성격은 무엇인가?
• RQ2 HDF850.1의 광역 환경은 어떠한가? z ≈ 5.18에서 얼마나 많은 은하가 이와 연관되어 있는가?
• RQ3 응집체 내 은하의 별 질량, 별 형성률(SFR), UV 등화도는 필드 내 은하와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 우주론적 시뮬레이션을 바탕으로 응집체가 z ≈ 0에 이르러 거대한 은하단으로 진화할 가능성이 얼마나 높은가?
• RQ5 NIRCam 격자 스펙트로스코피는 먼지가 많고 고적색변위의 별 형성 은하의 분포와 성질을 밀도 높은 환경에서 효과적으로 맵핑할 수 있는가?

주요 결과

• z = 5.188 ± 0.001에서 13σ의 Hα 방출선이 HDF850.1에서 탐지되었으며, 이는 적색변위를 확인하고 오랫동안 남아있던 의문점을 해소했다.
• Hα 방출은 주로 시스템적 적색변위보다 약 +130 km/s의 속도 이완을 보이는 덜 은폐된 남부 구성요소에서 기인한다.
• 응집체는 약 (15 cMpc)³ 부피 내에서 10개의 구조에 걸쳐 z ≈ 5.17–5.20 범위의 100개의 은하로 구성되어 있다.
• 응집체 내 은하는 필드 은하보다 유의미하게 더 높은 별 질량, SFR 및 UV 등화도를 보이며, >3σ의 유의미한 증거가 있다.
• 우주론적 시뮬레이션에 따르면, 이 응집체는 향후 z ≈ 0에 이르러 >10¹⁴ M☉의 거대 은하단으로 진화할 가능성이 높다.
• 이 연구는 NIRCam 격자 스펙트로스코피가 먼지가 많고 고적색변위의 은하에서 Hα를 탐지하고 그 광역 환경을 맵핑하는 데 강력한 능력을 지니고 있음을 입증했다.

Figure 2: 2D spectrum from the southern component to HDF850.1 ( upper panel ) along with our 1D extraction from the direct image morphology ( lower panel ). The upper panel shows a zoomed-in 2D spectrum around the H $\alpha$ line after subtracting the continuum using a median-filtered technique foll