[논문 리뷰] Missing Giants: Predictions on Dust-Obscured Galaxy Stellar Mass Assembly Throughout Cosmic Time

Arianna S. Long, Caitlin M. Casey외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 03.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 우주 시간에 걸쳐 별질량 조립을 예측하기 위해 먼지로 가려진 성간 은하(DSFGs)의 실측 데이터를 사용한 수치 모델을 개발한다. 이 모델은 질량이 큰 DSFGs가 z > 1에서 M ≥ 10¹¹ M⊙인 모든 성간 은하의 50–100%를 차지하며, 그들이 관측된 질량이 큰 수면 은하의 수밀도를 설명함으로써 고적색편이 우주에서의 질량이 큰 은하의 충분한 조상 인구임을 시사한다.

ABSTRACT

Due to their extremely dust-obscured nature, much uncertainty still exists surrounding the stellar mass growth and content in dusty, star-forming galaxies (DSFGs) at $z>1$. In this work, we present a numerical model built using empirical data on DSFGs to estimate their stellar mass contributions across the first $\sim$10 Gyr of cosmic time. We generate a dust-obscured stellar mass function that extends beyond the mass limit of star-forming stellar mass functions in the literature, and predict that massive DSFGs constitute as much as $50-100\%$ of all star-forming galaxies with M $\ge10^{11}$M$_\odot$ at $z>1$. We predict the number density of massive DSFGs and find general agreement with observations, although more data is needed to narrow wide observational uncertainties. We forward model mock massive DSFGs to their quiescent descendants and find remarkable agreement with observations from the literature demonstrating that, to first order, massive DSFGs are a sufficient ancestral population to describe the prevalence of massive quiescent galaxies at $z>1$. We predict that massive DSFGs and their descendants contribute as much as $25-60\%$ to the cosmic stellar mass density during the peak of cosmic star formation, and predict an intense epoch of population growth during the $\sim1$ Gyr from $z=6$ to 3 during which the majority of the most massive galaxies at high-$z$ grow and then quench. Future studies seeking to understand massive galaxy growth and evolution in the early Universe should strategize synergies with data from the latest observatories (e.g. JWST and ALMA) to better include the heavily dust-obscured galaxy population.

연구 동기 및 목표

• 우주의 시간에 걸쳐 먼지로 가려진 성간 은하(DSFGs)가 별질량 조립에 미치는 역할을 정량화하는 것, 특히 z > 1에서의 역할을 중심으로 한다.
• 과도하게 먼지로 차단된 시스템을 포함하지 않는 UV/광학 기반 은하 진화 모델의 편향을 해결하는 것.
• 질량이 큰 DSFGs가 고적색편이 우주에서 관측된 질량이 큰 수면 은하의 수밀도를 설명할 수 있는지 테스트하는 것.
• DSFGs와 그 후손이 피크 성간 형성 시기 동안 우주의 별질량 밀도에 기여하는 정도를 추정하는 것.
• DSFG 성질을 해소하기 위한 JWST와 ALMA 간의 핵심 융합 전략을 규명함으로써 향후 관측을 안내하는 것.

제안 방법

• 저자들은 DSFGs의 실측 데이터를 바탕으로 UV/광학 기반 SMF를 확장하여 먼지로 가려진 별질량 함수(SMF)를 구축하며, 적외선 복사 밀도 함수와 먼지 감쇠 모델을 통합한다.
• 특성 질량을 초과하는 고질량 영역에 대해 거듭제곱 법칙 확장을 사용하여 SMF의 고질량 끝부분을 모델링하며, 편향을 최소화하기 위해 보수적인 가정을 적용한다.
• 적외선 복사 밀도 함수와 SED 피팅의 불확실성을 고려하여, 별 형성 효율 및 가스 고갈 timescale과 같은 DSFG 성질에 대해 통합한다.
• 진화 경로를 통해 몽금된 질량이 큰 DSFGs를 정방향 모델링하여 그들이 수면 상태에 도달하는 후손을 예측하고, 예측된 수밀도를 관측된 수면 은하와 비교한다.
• 심층 적외선 및 적외선 영역의 은하계 조사에서 캘리브레이션된 적색편이 의존적 적외선 복사 밀도 함수와 먼지 감쇠 규정을 사용한다.
• 관측 깊이와 선택 편향를 고려하여 관측 제약 조건(예: z > 1에서의 질량이 큰 DSFGs와 수면 은하의 수밀도)과 예측을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 먼지로 가려진 성간 은하(DSFGs)가 z > 1에서 질량이 큰 은하의 별질량 조립에 얼마나 기여하는가?
• RQ2 질량이 큰 DSFGs만으로 z > 1에서 관측된 질량이 큰 수면 은하의 수밀도를 설명할 수 있는가?
• RQ3 z ~ 2에서 DSFGs와 그 수면 후손이 우주의 별질량 밀도에 기여하는 비율은 얼마인가?
• RQ4 DSFGs를 포함함으로써 통합된 성간 형성률 밀도와 직접 측정된 별질량 밀도 간의 괴리 문제가 어떻게 해결되는가?
• RQ5 특히 JWST와 ALMA를 활용한 관측 전략은 DSFG 인구를 더 잘 제약하기 위해 어떤 것이 필요한가?

주요 결과

• 질량이 큰 DSFGs(M ≥ 10¹¹ M⊙)는 z > 1에서 모든 성간 은하의 50–100%를 차지하며, 이는 소수의 인구가 아니라 고질량 성장의 주요 추진력임을 시사한다.
• 모델 예측 수밀도는 관측과 일반적으로 일치하지만, z > 4에서는 별질량 측정의 제한으로 인해 불확실성이 크다.
• DSFGs를 정방향 모델링하여 그들이 수면 상태에 도달하는 후손을 예측한 결과, z > 1에서 관측된 질량이 큰 수면 은하의 수밀도와 뛰어난 일치를 보이며, 이는 그들이 주요 조상임을 뒷받침한다.
• DSFGs와 그 수면 후손은 우주의 피크 성간 형성 시기(z ~ 2) 동안 우주의 별질량 밀도의 25–60%를 기여하며, 추론된 밀도와 관측된 밀도 간 격차를 크게 줄인다.
• z = 6에서 z = 3 사이에 강력한 1 Gyr 성장 및 억제 단계가 발생하며, 이 기간 동안 대부분의 가장 질량이 큰 은하들이 형성되고 수면 상태로 전환된다.
• 먼지로 가려진 SMF의 고질량 영역(M ≥ 10¹⁰.⁵ M⊙)의 다수(>75%)는 LIRG 또는 ULIRG 수준의 복사 밀도(L_IR ≥ 10¹¹ L⊙)를 가지며, 대부분 10¹² L⊙를 초과한다.