[논문 리뷰] Significant Dust-Obscured Star Formation in Luminous Lyman-break Galaxies at $z$$\sim$$7$$-$$8$

Sander Schouws, Mauro Stefanon외 14명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 25.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 $z\sim7$--8에서의 15개의 루미너스 라이만 브레이크은하에 대한 ALMA 연속분포 관측을 통해-dust-은폐된 별 형성의 존재를 확인하였으며, 은폐된 SFR이 20--105 $M_\odot$ yr$^{-1}$인 6개의 유의미한 먼지 검출을 발견하였다. 이는 이러한 고적색변위 은하에서 별 형성의 약 1/3이 먼지에 의해 은폐되어 있음을 시사하며, 이는 이전의 UV만을 기반으로 한 추정치에 도전하고 있으며, $z\sim0$ 이후에도 IRX--$\beta_{\rm UV}$ 관계에 큰 변화가 없음을 시사한다.

ABSTRACT

We make use of ALMA continuum observations of $15$ luminous Lyman-break galaxies at $z$$\sim$$7$$-$$8$ to probe their dust-obscured star-formation. These observations are sensitive enough to probe to obscured SFRs of $20$ $M_{\odot}$$/$$yr$ ($3σ$). Six of the targeted galaxies show significant ($\geq$$3$$σ$) dust continuum detections, more than doubling the number of known dust-detected galaxies at $z$$>$$6.5$. Their IR luminosities range from $2.7$$ imes$$10^{11}$ $L_{\odot}$ to $1.1$$ imes$$10^{12}$ $L_{\odot}$, equivalent to obscured SFRs of $20$ to $105$ $M_{\odot}$$/$$yr$. We use our results to quantify the correlation of the infrared excess IRX on the UV-continuum slope $β_{UV}$ and stellar mass. Our results are most consistent with an SMC attenuation curve for intrinsic $UV$-slopes $β_{UV,intr}$ of $-2.63$ and most consistent with an attenuation curve in-between SMC and Calzetti for $β_{UV,intr}$ slopes of $-2.23$, assuming a dust temperature $T_d$ of $50$ K. Our fiducial IRX-stellar mass results at $z$$\sim$$7$$-$$8$ are consistent with marginal evolution from $z$$\sim$$0$. We then show how both results depend on $T_d$. For our six dust-detected sources, we estimate their dust masses and find that they are consistent with dust production from SNe if the dust destruction is low ($

연구 동기 및 목표

• 재이온화 시기의 중요한 단계인 $z\sim7$--8에서 가장 루미너스한 은하에서 먼지에 의한 별 형성의 역할을 이해한다.
• UV 기반 측정에만 의존하는 별 형성률(SFR) 밀도 추정치의 불확실성을 해결하며, 이는 상당한 은폐된 성분을 놓칠 수 있음을 시사한다.
• $z\sim7$--8 은하에서 총 SFR 밀도에 대한 먼지 은폐 SFR 기여도를 정량화하며, 특히 $M_{UV} < -21.5$인 UV 루미너스 시스템에 초점을 맞춘다.
• ALMA 연속분포 검출과 SED 모델링을 통해 고적색변위 은하에서의 먼지 감쇠 곡선과 먼지 질량을 제약한다.
• 초신성(SN) 먼지 생성 모델과 비교하여 이러한 조기 은하에서 먼지의 기원을 평가한다.

제안 방법

• 3$\sigma$ 수준에서 20 $M_\odot$ yr$^{-1}$의 은폐된 SFR 검출이 가능한 해상도로, $z\sim7$--8의 15개 루미너스 라이만 브레이크 은하에서 1.2 mm에서 깊은 ALMA 연속분포 관측을 수행하였다.
• UV 및 FIR 데이터를 조합하여 IR 루미니너티와 IRX($L_{\rm IR}/L_{\rm UV}$)를 추정하기 위해 SED 피팅을 통해 내재된 UV 기울기($\beta_{\rm UV,intr}$)와 은하 질량를 유도하였다.
• 먼지 감쇠 곡선(SMC 및 Calzetti)과 다양한 먼지 온도($T_d$)를 사용하여 IRX--$\beta_{\rm UV}$ 관계의 최적 피팅 모델을 도출하였다.
• 변동 가능한 $T_d$($T_d$ = 30 K에서 60 K 사이)를 가정하고, 관측된 FIR 복사수준에서 먼지 질량를 추정하였다.
• 관측된 먼지 검출을 기반으로 은폐된 SFR 기여도를 반영하여 UV 기반 SFR 밀도 추정치의 보정 계수를 계산하였다.
• 유도된 먼지 질량을 바탕으로, 저파괴율($<90\%$)을 가진 초신성 기반 먼지 생성 모델이 관측된 먼지 함량을 설명할 수 있는지 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ALMA 연속분포 검출을 통해 $z\sim7$--8에서 가장 루미너스한 은하에서 먼지에 의한 별 형성의 수준은 어느 정도인가?
• RQ2 고적색변위 $z\sim7$--8에서의 IRX--$\beta_{\rm UV}$ 관계는 국지 관계와 어떻게 비교되며, 이는 먼지 감쇠 곡선에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 $z\sim7$--8 은하에서 $M_{UV} < -21.5$인 경우, 먼지에 의한 별 형성의 기여도는 총 별 형성률 밀도에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 $z\sim7$--8 은하에서 관측된 먼지 질량은 초신성 먼지 생성 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 $L_{\rm IR} > 10^{11}$--$10^{12}$ $L_\odot$인 $z\sim7$--8 은하에 대한 IR 루미니너티 함수의 하한은 무엇인가?

주요 결과

• 15개의 대상 $z\sim7$--8 은하 중 6개가 유의미한(≥3$\sigma$) 먼지 연속분포 검출을 보였으며, $z>6.5$에서 검출된 먼지 은하의 수를 두 배 이상 증가시켰다.
• 관측된 IR 루미니너티는 $2.7\times10^{11}$에서 $1.1\times10^{12}$ $L_\odot$ 사이였으며, 이는 은폐된 SFR이 20에서 105 $M_\odot$ yr$^{-1}$에 해당한다.
• $z\sim7$--8에서의 IRX--$\beta_{\rm UV}$ 관계는 $\beta_{\rm UV,intr} = -2.63$일 때 SMC 유사 감쇠 곡선으로 가장 잘 맞으며, $\beta_{\rm UV,intr} = -2.23$일 땐 SMC와 Calzetti 사이의 중간 곡선으로 최적 피팅된다.
• $z\sim7$--8에서의 IRX--은하 질량 관계는 $z\sim0$과 비교해 유의미한 진화가 없음을 보이며, 대규모 은하에서 먼지와 별 형성 간의 안정된 연결 고리가 유지됨을 시사한다.
• UV 기반 SFR 밀도 추정치의 보정 계수는 $z\sim7$에서 1.5$^{+0.3}_{-0.3}$ (0.18$^{+0.08}_{-0.10}$ dex), $z\sim8$에서 1.6$^{+0.2}_{-0.3}$ (0.20$^{+0.05}_{-0.09}$ dex)로, 별 형성의 약 1/3이 은폐되어 있음을 시사한다.
• 먼지 질량는 $\sim10^7$에서 $10^8$ $M_\odot$ 사이였으며, 먼지 파괴율이 낮을 경우(<90%) 초신성 기반 먼지 생성 모델과 일치하여, 조기 은하에서 초신성이 주요 먼지 기원임을 지지한다.