[논문 리뷰] The ALPINE-ALMA [CII] Survey: The nature, luminosity function and star formation history of dusty galaxies up to z~6

C. Gruppioni, M. Béthermin외 31명|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|2020. 06. 08.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 136인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 임의의 ALMA [CII] 조사 소스를 이용해 z ≈ 6까지의 먼 적외선 복사원과 은하 형성률 밀도(SFRD) 측정을 처음으로 제시한다. 먼 적외선 복사원 함수는 z ≈ 2.5에서 z ≈ 6로 이르는 동안 거의 변화가 없으며, 평탄한 형태를 띠며, 먼지로 뒤덮인 옵티컬적으로 어두운 은하들이 z ≈ 5에서 SFRD의 약 17% 기여함을 발견하여, UV 기반의 SFR 추정치와 현재의 은하 형성 모델에 도전한다.

ABSTRACT

We present the detailed characterisation of a sample of 56 sources serendipitously detected in ALMA band 7, as part of the ALMA Large Program to INvestigate CII at Early Times (ALPINE) in COSMOS and ECDFS. These sources have been used to derive the total infrared luminosity function (LF) and to estimate the cosmic star formation rate density (SFRD) up to z=6. We have looked for counterparts in all the available multi-wavelength and photometric redshift catalogues, and in deeper near- and mid-IR source lists and maps, to identify optically dark sources with no matches in the public catalogues. Our ALMA blind survey allows us to push further the study of the nature and evolution of dusty galaxies at high-z, identifying luminous and massive sources to redshifts and faint luminosities never probed before by any far-infrared surveys. The ALPINE data are the first ones to sample the faint-end of the infrared LF, showing little evolution from z=2.5 to z=6, and a flat slope up to the highest redshifts. The SFRD obtained by integrating the luminosity function remains almost constant between z=2 and 6, and significantly higher than the optical/UV derivations, showing an important contribution of dusty galaxies and obscured star formation up to high-z. About 14 per cent of the ALPINE serendipitous continuum sources are optically+near-IR dark (six show a counterpart only in the mid-IR and no HST or near-IR identification, while two are detected as [CII] emitters at z=5). The six HST and near-IR dark galaxies with mid-IR counterpart contribute for about 17 per cent of the total SFRD at z=5 and dominate the high-mass end of the stellar mass function at z>3.

연구 동기 및 목표

• 임의로 탐지된 ALMA 연속 스펙트럼 소스를 이용해 고적색도(z ≈ 6)에서 먼지로 뒤덮인 은하의 성격과 진화를 규명하기 위해.
• 먼지로 뒤덮인 은하의 총 적외선 복사원 함수(LF)와 우주적 별 형성률 밀도(SFRD)를 z ≈ 0.5에서 z ≈ 6까지 유도하여, 먼 적외선 조사에서의 어두운 끝 부분의 갭을 메우기 위해.
• 특히 중간 적외선 또는 [CII]에서만 탐지된 은하들처럼, 옵티컬 및 근적외선으로 어두운 은하들이 고적색도에서의 총 SFRD와 별 질량 함수에 기여하는 정도를 정량화하기 위해.
• ALPINE 결과가 기존의 Herschel 및 SCUBA-2 LFs와 일치하는지 검토하고, UV 기반 SFRD 추정치와의 불일치를 평가하기 위해.
• z > 3에서 높은 SFRD와 거대한 먼지로 뒤덮인 은하들이 현재의 은하 형성 모델과 시뮬레이션에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• COSMOS 및 ECDFS 영역에서 ALMA 밴드 7 연속 스펙트럼 소스 56개를 식별하였으며, 이들의 860 μm 밀도는 약 0.3–12.5 mJy 범위였다.
• 다중 파장 카탈로그(HST, VLA, UltraVISTA, Spitzer) 및 더 깊은 맵과의 교차 식별을 통해 옵티컬적으로 어두운 은하를 탐지하였다.
• 광학적 적색편이를 추정하고, SED 피팅을 통해 휴지상 250 μm 및 총 적외선(8–1000 μm) 복사원을 유도하였다.
• ALPINE 데이터를 사용하여 z ≈ 0.5에서 z ≈ 6까지의 적색편이 구간에서 휴지상 250 μm 및 총 적외선 복사원 함수(LF)를 구성하였다.
• 적외선 LF를 통합하여 적색편이에 따라 우주의 별 형성률 밀도(SFRD)를 계산하고, UV 기반 추정치와 비교하였다.
• HST 및 근적외선으로 어두운 은하들(중간 적외선 대응체가 있거나 없거나)이 총 SFRD와 별 질량 함수에 기여하는 정도를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 먼지로 뒤덮인 은하의 먼 적외선 복사원 함수는 z ≈ 0.5에서 z ≈ 6로 이르는 동안 어떻게 진화하는가? 형태나 정규화에서 유의미한 변화가 있는가?
• RQ2 z ≈ 5에서의 우주적 별 형성률 밀도(SFRD) 중 옵티컬 및 근적외선으로 어두운 은하들이 차지하는 비율은 얼마인가?
• RQ3 ALPINE 먼 적외선 조사에서 유도된 SFRD 추정치는 z > 3에서 UV로 관측된 은하로부터 유도된 추정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 현재의 은하 형성 모델은 z > 3에서 거대하고 먼지로 뒤덮인 은하의 관측된 수밀도와 질량 함수를 어느 정도 재현하는가?
• RQ5 먼지로 가려진 별 형성은 우주의 정점(z ≈ 1–3)과 그 이후에 어떤 역할을 하는가? 그리고 왜 UV 조사에서는 이를 놓치는가?

주요 결과

• ALPINE 조사는 z ≈ 2.5에서 z ≈ 6까지 먼 적외선 복사원 함수의 어두운 끝 부분을 샘플링하며, 전체 적색편이 범위에서 기울기가 평탄한 형태를 유지하며 유의미한 진화가 없음을 보여준다.
• 총 적외선 복사원 함수는 z ≈ 0.5에서 z ≈ 6까지 정규화와 형태가 거의 일정하며, 고광도 영역에서 감소가 없어, 지속적인 먼지로 뒤덮인 별 형성 활동을 시사한다.
• ALPINE 적외선 LF에서 유도된 우주의 별 형성률 밀도(SFRD)는 z ≈ 2에서 z ≈ 6까지 거의 평탄하며, UV 기반 추정치보다 훨씬 높다. 특히 z ≈ 6에서 두 추정치의 차이는 약 10배 정도이다.
• ALPINE 임의의 소스 중 약 14%가 옵티컬 및 근적외선으로 어두운(지수 Ks ~24.9 mag 이하) 것으로 평가되었으며, 이 중 6개는 중간 적외선에서만 탐지되었고, 2개는 z ≈ 5에서 [CII] 방출체로 확인되었다.
• HST 및 근적외선으로 어두운 은하들 중 중간 적외선 대응체가 있는 경우, z ≈ 5에서 총 SFRD의 약 17% 기여하며, z > 3에서 별 질량 함수의 고질량 영역을 지배한다.
• z > 3에서 거대한 먼지로 뒤덮인 은하(M* > 10^10.7 M⊙)의 수밀도는 더 질량이 큰 휴면 은하들과 유사하여, 현재의 반경량 및 유체역학적 시뮬레이션에 도전한다.