[논문 리뷰] The galaxies missed by Hubble and ALMA: the contribution of extremely red galaxies to the cosmic census at 3

Christina C. Williams, Stacey Alberts외 34명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 13.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

JADES, JEMS, 및 SMILES의 깊은 JWST 이미징을 활용하여, 이전에 허블과 ALMA에서 놓친 3 < z < 8 범위의 극도로 빨간색이면서 먼지가 많고 별 형성 후 상태인 은하 집단을 이 연구는 규명하였다. MIRI 광도 측정을 포함함으로써 추정된 항성 질량과 항성 형성률(SFR)이 각각 최대 0.6 dex와 10배 감소하였으며, 이는 이들 희미하고 은폐된 천체들이 4 < z < 6 범위에서 추정된 은폐된 항성 형성률 밀도를 두 배로 늘릴 수 있음을 드러내었고, 이는 초기 은하 형성의 간판을 크게 재편성하는 데 기여한다.

ABSTRACT

Using deep JWST imaging from JADES, JEMS and SMILES, we characterize optically-faint and extremely red galaxies at $z&gt;3$ that were previously missing from galaxy census estimates. The data indicate the existence of abundant, dusty and post-starburst-like galaxies down to $10^8$M$_\odot$, below the sensitivity limit of Spitzer and ALMA. Modeling the NIRCam and HST photometry of these red sources can result in extreme, high values for both stellar mass and star formation rate (SFR); however, including 7 MIRI filters out to 21$μ$m results in decreased mass (median 0.6 dex for log$_{10}$M$^*$/M$_{\odot}&gt;$10), and SFR (median 10$ imes$ for SFR$&gt;$100 M$_{\odot}$/yr). At $z&gt;6$, our sample includes a high fraction of little red dots (LRDs; NIRCam-selected dust-reddened AGN candidates). We significantly measure older stellar populations in the LRDs out to rest-frame 3$μ$m (the stellar bump) and rule out a dominant contribution from hot dust emission, a signature of AGN contamination to stellar population measurements. This allows us to measure their contribution to the cosmic census at $z&gt;3$, below the typical detection limits of ALMA ($L_{ m IR}&lt;10^{12}L_\odot$). We find that these sources, which are overwhelmingly missed by HST and ALMA, could effectively double the obscured fraction of the star formation rate density at $4

연구 동기 및 목표

• 허블과 ALMA에서 이전에 탐지되지 못한 3 < z < 8 범위의 광학적으로 희미하고 극도로 빨간색인 은하를 식별하고 특성화하는 것.
• 이러한 놓친 은하들이 은하 형성의 총 항성 형성률 밀도, 특히 은폐된(먼지가 많은) 성분에 기여하는 정도를 평가하는 것.
• 항성 형성 모델링의 극단적 편향이 항성 질량과 SFR 추정치에 미치는 영향을 21 μm까지의 깊은 MIRI 광도 측정을 통해 보정할 수 있는지 판단하는 것.
• 특히 AGN가 있는지 또는 진화한 항성 집단과 일치하는지 여부를 판단하는 데 초점을 맞춰 z > 6에서의 리틀 레드 도트(LRD)의 성격을 평가하는 것.
• 이러한 이전에 놓친 은하들이 초기 우주의 전체 은하 형성 간판에 미치는 영향을 정량화하는 것.

제안 방법

• JADES, JEMS, 및 SMILES 설문에서 JWST의 NIRCam 및 MIRI 기구로부터 확보한 근적외선 및 중적외선 깊은 이미징을 활용하였다.
• Rest-frame UV에서 21 μm까지의 SED를 맞추기 위해 Prospector와 EAZY를 사용한 광학적 적색편이 및 항성 집단 합성 모델링을 적용하였다.
• 먼지 방출을 제약하고 AGN 오염 여부를 평가하기 위해 ALMA 1.3 mm 데이터를 통합하였다.
• 항성의 돌출부(3 μm)를 활용하여 고온의 먼지 방출과 진화한 항성 집단을 구별하는 진단 도구로 사용하였다.
• NIRCam 단독 데이터에서의 항성 질량 및 SFR 추정의 모호성을 해소하기 위해 21 μm까지 MIRI 필터를 적용하였다.
• NIRCam 색상 선택 기반으로 리틀 레드 도트(LRD)로 분류하고, 광학적 적색편이를 통해 고적색성 여부를 확인하였다.

Figure 1: F150W–F444W color vs F444W magnitude illustrating our selection from the JADES catalog with S/N $>$ 20 in F444W (black points). We identify very red sources by their F150W–F444W $>2.2$ color (all colored points) color coded by their EAZY photometric redshift. We further identify the optica

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3 < z < 8 범위에서 극도로 빨간색이면서 먼지가 많은 은하들이 은하 형성률 밀도에 기여하는 진정한 기여도는 무엇이며, 특히 허블과 ALMA의 탐지 한계 이하에서 어떻게 기여하는가?
• RQ2 항성 집단 모델링의 편향이 항성 질량과 SFR 추정치에 미치는 영향은 어느 정도이며, MIRI 데이터가 이를 어떻게 보정할 수 있는가?
• RQ3 z > 6에서의 리틀 레드 도트(LRD)는 AGN 활동에 의해 지배되는가, 아니면 진화한 항성 집단과 일치하는가? 이를 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ4 이러한 놓친 은하들의 물리적 성질—예를 들어 항성 질량, SFR, 먼지 감쇠—은 표준 은하 카탈로그의 것들과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이러한 이전에 탐지되지 못한 은하들이 4 < z < 6 범위에서 추정된 은폐된 항성 형성률 밀도의 은폐 비율에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 21 μm까지의 MIRI 광도 측정을 포함함으로써, log10(M*/M⊙) > 10 이고 SFR > 100 M⊙/yr인 천체의 중앙 항성 질량 추정치가 0.6 dex 감소하고, SFR 추정치가 10배 감소하였다.
• 고적색 은하의 상당수는 z > 6에서 리틀 레드 도트(LRD)이며, 3 μm에서의 고체 항성 집단의 강력한 증거가 있어 AGN에서 기인하는 고온 먼지 방출을 배제할 수 있었다.
• 이러한 극도로 빨간색이면서 먼지가 많은 은하들은 허블과 ALMA에서 거의 전부 놓쳐왔으며, IR 발광도가 ALMA 감도 한계 이하(L_IR < 10^12 L⊙)였다.
• 이러한 이전에 탐지되지 못한 천체들을 포함함으로써, 4 < z < 6 범위에서 추정된 은폐된 항성 형성률 밀도는 이전 추정치에 비해 효과적으로 두 배로 증가할 수 있었다.
• 5.5 < z < 7.7 범위의 다섯 개 천체는 명확한 발렌저 브레이크와 높은 항성 질량을 보이며 진화한 집단임을 시사하지만, 그 성격을 확인하기 위해 스펙트럼 측정이 필요하다.
• 이 연구는 이전의 간판 추정치가 희미하고 먼지가 많고 별 형성 후 상태인 은하들이 초기 은하 진화에 미치는 기여도를 크게 과소평가하고 있음을 입증하였다.

Figure 2: For sources with MIRI and ALMA coverage, we compare inferred photometric redshift, stellar mass and SFR from our prospector modeling of HST+NIRCam+MIRI+ALMA vs just the HST+NIRCam photometry. Left panel shows the inferred photometric redshift (sources with spectroscopic redshifts are exclu