[논문 리뷰] New constraints on dust emission and UV attenuation of z= 6.5 7.5 galaxies from IRAM and ALMA observations ⋆

D. Schaerer, F. Boone외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 22.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 z ≈ 6.8 및 z = 7.5에서 고적색편이를 가진 두 개의 라이만 브레이크은하에 대해 깊은 IRAM PdBI 및 ALMA 관측을 이용하여-dust 복사 및 자외선 감쇠를 제약한다. [CII] 및 먼지 연속기록의 비검출에도 불구하고, 데이터는 적외선 빛의 세기(LIR < 8.1×10¹⁰ L⊙), 먼지 질량(Md < 1.6×10⁷ M⊙), 그리고 항성 형성률에 대해 엄격한 상한선을 제공하며, 이는 캘체티의 IRX–β 관계와 일관되며, 항성 질량에 비해 예상보다 낮은 자외선 감쇠를 보임을 시사한다.

ABSTRACT

Context. Determining the dust properties and UV attenuation of distant star-forming galaxies is of great interest for our unders tanding of galaxy formation and cosmic star formation in the early Universe. However, few direct measurements exist so far. Aims. To shed new light on these questions we have targeted two recently discovered Lyman break galaxies (LBGs) at z≈ 6.8 and z = 7.508 to search for dust continuum and [Cii]λ158µm line emission. Methods. The strongly lensed z≈ 6.8 LBG A1703-zD1 behind the galaxy cluster Abell 1703, and the spectroscopically confirmed z = 7.508 LBG z8-GND-5296 in the GOODS-N field have been observed with the Plateau de Bure interferometric (PdBI) observations at 1.2mm. These observations have been combined with those of three z> 6.5 Lyα emitters (named HCM6A, Himiko, and IOK-1), for which deep measurements were recently obtained with the PdBI and ALMA. Results. [Cii] is undetected in both galaxies, providing a deep upper limit of L[CII] < 2.8× 10 7 L⊙ for A1703-zD1, comparable to the non-detections of Himiko and IOK-1 with ALMA. Dust continuum emission from A1703-zD1 and z8-GND-5296 is not detected with an rms of 0.12 and 0.16 mJy/beam. From these non-detections and earlier multi-wavelength observations we derive upper limits on their IR luminosity and star formation rate, dust mass, and UV attenuation. Thanks to strong gravitational lensing the achieved limit for A1703-zD1 is comparable to those achieved with ALMA, probing the sub-LIRG regime (LIR< 8.1× 10 10 L⊙) and very low dust masses (Md< 1.6× 10 7 M⊙). We find that all five galaxies are compatible with the Calzet ti IRX‐β relation, their UV attenuation is compatible with several indirect estimates from other methods (the UV slope, extrapolation of the attenuation measured from the IR/UV ratio at lower redshift, and SED fits), and the dust-to-ste llar mass ratio is not incompatible with that of galaxies fro m z = 0 to 3. For their stellar mass the high-z galaxies studied here have an attenuation below the one expected from the mean relation of low redshift (z< 1.5) galaxies. Conclusions. More and deeper (sub)-mm data are clearly needed to directly determine the UV attenuation and dust content of the dominant population of high-z distant star-forming galaxies and to establish more firmly t heir dependence on stellar mass, redshift, and other properties.

연구 동기 및 목표

• z ≈ 6.5–7.5에서 이러한 데이터가 희소한 고적색편이 별 형성 은하의 먼지 특성과 자외선 감쇠를 직접 측정하기 위해.
• 초기 우주에서 간접적인 자외선 감쇠 추정치(예: 자외선 기울기 또는 IR/UV 비율에 기반)의 신뢰성을 평가하기 위해.
• 고적색편이 은하가 국소 및 중간적색편이 은하와 동일한 먼지-항성 질량 비율을 따르는지 평가하기 위해.
• 관측된 [CII] 및 먼지 연속기록의 비검출이 초기 별 형성 은하에 대한 이론적 기대와 일치하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 1.2 mm 연속기록 및 [CII]λ158µm 선 관측을 수행하여 z ≈ 6.8 및 z = 7.508인 강한 렌즈 효과를 겪는 라이만 브레이크 은하(PLATEAU DE BURE INTERFEROMETER, PdBI)를 이용한다.
• 세 개의 추가적인 z > 6.5 라이언 라이언(emitter)들(HCM6A, Himiko, IOK-1)에 대한 깊은 ALMA 및 PdBI 관측 데이터를 결합하여 감도와 통계적 능력을 향상시킨다.
• [CII] 및 먼지 연속기록의 비검출을 바탕으로 다중 파장 SED 모델링을 통해 적외선 빛의 세기, 먼지 질량, 항성 형성률에 대한 상한선을 유도한다.
• 캘체티의 IRX–β 관계를 적용하여 관측된 자외선 감쇠를 이론적 기대와 비교하고, 다양한 적색편이 간의 일관성을 평가한다.
• A1703-zD1에서 강한 중력 렌즈 효과를 활용하여 LIR < 8.1×10¹⁰ L⊙의 LIRG 이하 감도와 Md < 1.6×10⁷ M⊙의 낮은 먼지 질량 한계를 확보한다.
• 먼지-항성 질량 비율을 평가하고, z = 0에서 3 사이의 은하와 비교하여 진화 추세를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1.2 mm에서의 비검출에 기반하여, z ≈ 6.8 및 z = 7.508 라이만 브레이크 은하의 먼지 질량 및 적외선 빛의 세기 상한선은 무엇인가?
• RQ2 이 고적색편이 은하의 자외선 감쇠 특성은 캘체티의 IRX–β 관계와 간접 추정치(자외선 기울기 또는 IR/UV 비율 기반)와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 이 고적색편이 은하의 먼지-항성 질량 비율은 z = 0에서 3 사이의 은하에서 관측된 비율과 일치하는가?
• RQ4 A1703-zD1 및 z8-GND-5296에서의 [CII] 비검출은 유사 은하에 대한 ALMA 데이터 기반 기대와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 이 은하들의 관측된 자외선 감쇠는 저적색편이(z < 1.5) 은하의 평균 관계에 비해 그들의 항성 질량에 비해 예상보다 낮은가?

주요 결과

• A1703-zD1 및 z8-GND-5296에서 [CII] 선은 비검출되었으며, A1703-zD1에 대해 깊은 상한선 L[CII] < 2.8×10⁷ L⊙을 제공한다.
• 양쪽 은하 모두 먼지 연속기록이 검출되지 않았으며, 1σ 루트 평균 제곱 오차는 A1703-zD1에서 0.12 mJy/beam, z8-GND-5296에서 0.16 mJy/beam였다.
• 적외선 빛의 세기 상한선은 LIR < 8.1×10¹⁰ L⊙이며, 이는 은하들이 LIRG 이하의 범주에 속함을 의미하며, 먼지 질량은 Md < 1.6×10⁷ M⊙로 제약된다.
• HCM6A, Himiko, IOK-1 포함 총 다섯 개의 관측 은하가 캘체티의 IRX–β 관계와 일치하며, 이는 타당한 자외선 감쇠 행동을 나타낸다.
• 고적색편이 은하의 자외선 감쇠는 그들의 항성 질량에 비해 저적색편이(z < 1.5) 은하의 평균 관계에 비해 예상보다 낮다.
• 이 고적색편이 은하의 먼지-항성 질량 비율은 z = 0에서 3 사이의 은하와 충돌하지 않으며, 먼지 함량의 추세가 연속적임을 시사한다.