[논문 리뷰] Quiescent or dusty? Unveiling the nature of extremely red galaxies at $z>3$

Laia Barrufet, Pascal A. Oesch외 16명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 11.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

논문은 JWST/NIRSpec PRISM 분광학으로 HST-暗 은하(H-F444W>1.75) 23개를 관찰한 결과, 대부분이 먼지로 덮여 있고 상당수가 준안정(quiescent) 상태이며, 정확한 적색편과와 먼지 측정이 가능하며 한 준안정 소스에서 AGN 활동이 나타남을 보인다.

ABSTRACT

The advent of the JWST has revolutionised our understanding of high-redshift galaxies. In particular, the NIRCam instrument on-board JWST has revealed a population of Hubble Space Telescope (HST)-dark galaxies that had previously evaded optical detection, potentially due to significant dust obscuration, quiescence, or simply extreme redshift. Here, we present the first NIRSpec spectra of 23 HST-dark galaxies ($\mathrm{H-F444W>1.75}$), unveiling their nature and physical properties. This sample includes both dusty and quiescent galaxies with spectroscopic data from NIRSpec/PRISM, providing accurate spectroscopic redshifts with $\mathrm{\overline{z}_{spec} = 4.1 \pm 0.7}$. The spectral features demonstrate that, while the majority of HST-dark galaxies are dusty, a substantial fraction, $\mathrm{13^{+9}_{-6} \%}$, are quiescent. For the dusty galaxies, we have quantified the dust attenuation using the Balmer decrement ($\mathrm{Hα/ Hβ}$), finding attenuations $\mathrm{A_{V} > 2\ mag}$. We find that HST-dark dusty galaxies are $\mathrm{Hα}$ emitters with equivalent widths spanning the range $\mathrm{ 68 A < EW_{Hα} < 550 A }$, indicative of a wide range of recent star-formation activity. Whether dusty or quiescent, we find that HST-dark galaxies are predominantly massive, with 85\% of the galaxies in the sample having masses $\mathrm{log(M_{*}/M_{\odot}) > 9.8}$. This pilot NIRSpec program reveals the diverse nature of HST-dark galaxies and highlights the effectiveness of NIRSpec/PRISM spectroscopic follow-up in distinguishing between dusty and quiescent galaxies and properly quantifying their physical properties. Upcoming research utilising higher-resolution NIRSpec data and combining JWST with ALMA observations will enhance our understanding of these enigmatic and challenging sources.

연구 동기 및 목표

• NIRSpec PRISM 스펙트럼을 이용해 HST-暗 은하(z>3)의 적색분포를 파악한다.
• 분광 특성을 통해 먼지 있는 경우와 준안정(inactive/quiescent) 은하를 구분한다.
• 샘플의 먼지 감쇠 및 기본 물리적 특성(질량, SFR)을 정량화한다.
• HST-暗 은하들 사이의 AGN 활동의 존재 여부를 평가한다.
• 고적대(z)에서의 JWST+ALMA 연구를 위한 벤치마크를 제시한다.

제안 방법

• NIRCam 이미징에서 선택된 23개의 HST-暗 은하에 대해 저해상도(R~100) NIRSpec PRISM 스펙트럼(1–5 μm)을 획득한다.
• Hβ, [OIII], Hα, [NII], [SII]를 피팅하여 선 플럭스와 Balmer 감소를 측정하기 위해 emission lines와 continuum을 추출한다.
• 발현 선과 Balmer break 특징을 기반으로 은하를 먼지 여부가 많은 것과 준안정으로 분류한다.
• 광학적 적색편성(z spectroscopy)와 다-band 광측광 photometry를 사용한 BAGPIPES를 이용한 SED 피팅으로 M*, SFR, A_V를 도출한다.
• Balmer 감소(Hα/Hβ)를 이용해 Calzetti 감쇠를 통해 A_V를 도출하고 Hα 광측광과의 [NII] 혼합을 보정한다.
• SED 분석에서 CLOUDY 성운 방출을 포함하고, 넓은 τ 범위의 지연형 SFH 모델을 포함한 모델링을 수행한다.

Figure 1: Colour magnitude diagram (F444W vs H-F444W) of the total sample (grey triangles) of the ’Quiescent or dusty?’ program (GO 2198). We selected 23 red galaxies (red diamonds) with the colour $\mathrm{H-F444W>1.75}$ similar to Barrufet et al. ( 2023a ) (black line). This subset includes severa

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JWST/NIRSpec PRISM으로 관측했을 때 HST-暗 은하의 적색분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 z>3에서 먼지 있는 은하와 준안정 은하의 비율은 분광 데이터로 어떻게 달라지는가?
• RQ3 Balmer 감소를 통한 분광 먼지 감쇠와 SED 피팅의 연속체 기반 감쇠(A_V) 간의 차이는 어떤가?
• RQ4 먼지 있는 HST-暗 은하 중에서 FIR 또는 다른 선형분포에서 AGN 활성을 나타내는가?
• RQ5 이 은하들의 별질량과 Hα 등가폭(EW)은 무엇이며, 분류와 어떤 관계가 있는가?

주요 결과

식별자(ID)	RA	Dec	F_Hα (10^-20 erg/s/cm^2)	F_Hβ (10^-20 erg/s/cm^2)	A_V	EW_Hα (Å)	zspec
1260	53.0748575	-27.875898	290 ± 82	<68	>1.40	68 ± 26	4.44
1548	53.1347898	-27.907492	463 ± 44	<72	>2.77	70 ± 9	4.43
1616	53.0766784	-27.8734698	3553 ± 104	<452	>3.49	331 ± 17	3.46
3012	53.0767591	-27.8641199	414 ± 50	<115	>0.80	149 ± 44	3.47
3339	53.1147448	-27.8904202	1495 ± 50	230 ± 31	2.83	304 ± 59	5.41
3640	53.0821208	-27.8598697	720 ± 94	<78	>4.03	146 ± 31	3.65
4307	53.1406347	-27.8813756	1137 ± 55	83 ± 26	5.40	375 ± 231	5.52
4490	53.0410546	-27.8544706	1829 ± 72	290 ± 42	2.74	484 ± 81	3.70
4820	53.034904	-27.8521791	1966 ± 46	225 ± 36	3.85	545 ± 103	3.79
5446	53.0279874	-27.8470862	1261 ± 51	<209	>2.58	267 ± 24	2.71
5510	53.1783286	-27.8702734	1369 ± 49	<264	>2.06	134 ± 6	3.47
5607	53.1233683	-27.8705379	434 ± 28	72 ± 28	2.58	346 ± 38	3.59
6151	53.0420756	-27.8426437	316 ± 36	<51	>2.65	2025 ± 176	4.38
12469	53.0446935	-27.8136318	2177 ± 50	323 ± 63	2.96	280 ± 17	3.55
12577	53.0484576	-27.8151421	1799 ± 66	146 ± 19	5.05	977 ± 67	5.23
7151	53.05672	-27.836383	1427 ± 67	<119	>4.8	2647 ± 93	3.79

• Medianas z_spec = 4.1 ± 0.7; 모든 소스가 z ≳ 3에 위치하며 피크는 약 z ≈ 4에 있음.
• 3/23 (13^{+9}_{-6}%)의 HST-暗 샘플이 z>3에서 준안정임.
• Dusty HST-暗 은하의 Balmer 감소에서 A_V 값이 일반적으로 >2.6 mag이며 일부 사례는 A_V ≈ 5 mag를 초과함.
• Balmer 감소로부터의 먼지 감쇠는 SED 피팅의 연속체 기반 A_V보다 높아, 성운과 별 형성 영역 간의 차등 침식 현상을 시사함.
• 먼지 있는 HST-暗 은하 모두 Rest-frame Hα 방출선으로, EW는 약 68 Å에서 약 550 Å까지 분포(단, AGN 지배 사례는 약 1000 Å).
• 한 준안정 은하(ID=8777, z=4.7)에서 Broad Hα가 나타나 AGN 활동을 시사하며, 전반적으로 AGN 시그니처는 샘플에서 드묾.

Figure 2: This figure presents spectral fitting examples for two distinct HST-dark galaxies: dusty and quiescent. Black lines denote the observed spectra, while the red lines depict Gaussian fits to spectral lines and the linear fitting to the continuum. (Top) The dusty HST-dark galaxy (ID=3339) pre