[논문 리뷰] Unveiling the Nature of Infrared Bright, Optically Dark Galaxies with Early JWST Data

L. Barrufet, P. A. Oesch외 19명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 29.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

CEERS 조사의 조기 JWST NIRCam 이미지를 사용하여 이 연구는 Hubble UV 조사에서 검출되지 않은 먼지로 가림을 받은, 질량이 큰 성간 별 형성 은하인 30개의 HST-다크 은하를 식별한다. 이들은 z ≈ 2–8에서 흔하며, A_V ≌ 2 mag 및 log(M*/M☉) ≌ 10을 보이며, z ≈ 7에서의 우주적 별 형성률 밀도에 크게 기여한다. 이는 초기 우주에서 은하 진화를 이해하는 데 핵심적인, 이전에 발견되지 않았던 인구임을 드러낸다.

ABSTRACT

Over the last few years, both ALMA and Spitzer/IRAC observations have revealed a population of likely massive galaxies at $z>3$ that was too faint to be detected in HST rest-frame ultraviolet imaging. However, due to the very limited photometry for individual galaxies, the true nature of these so-called HST-dark galaxies has remained elusive. Here, we present the first sample of such galaxies observed with very deep, high-resolution NIRCam imaging from the Early Release Science Program CEERS. 30 HST-dark sources are selected based on their red colours across 1.6 $μ$m to 4.4 $μ$m. Their physical properties are derived from 12-band multi-wavelength photometry, including ancillary HST imaging. We find that these galaxies are generally heavily dust-obscured ($A_{V}\sim2$ mag), massive ($\log (M/M_{\odot}) \sim10$), star-forming sources at $z\sim2-8$ with an observed surface density of $\sim0.8$ arcmin$^{-2}$. This suggests that an important fraction of massive galaxies may have been missing from our cosmic census at $z>3$ all the way into the Reionization epoch. The HST-dark sources lie on the main sequence of galaxies and add an obscured star formation rate density (SFRD) of $\mathrm{3.2^{+1.8}_{-1.3} imes 10^{-3} M_{\odot}/yr/Mpc^{3}}$ at $z\sim7$ showing likely presence of dust in the Epoch of Reionization. Our analysis shows the unique power of JWST to reveal this previously missing galaxy population and to provide a more complete census of galaxies at $z=2-8$ based on rest-frame optical imaging.

연구 동기 및 목표

• 먼지로 가려져 있어 Hubble의 가시광선 탐색에서 빠졌던 적외선 빛나는, 가시광선 어두운 은하의 집단을 식별하고 특성화하는 것.
• 깊고 고해상도의 JWST NIRCam 이미지와 다중 파장 광도 측정을 이용해 이러한 HST-다크 은하의 물리적 성질을 규명하는 것.
• 특히 재결합 시대 동안에 해당하는 고적색도에서의 우주적 별 형성률 밀도(SFRD)에 대한 기여를 평가하는 것.
• 먼지의 역할을 초기 거대 은하에서 평가하고, 이전의 자외선 기반 조사에서 이러한 소스가 체계적으로 부족하게 세어졌는지 테스트하는 것.
• JWST가 복원된 가시광선 영역 이미징을 통해 고적색도 은하의 완전한 인벤토리 확보 능력을 입증하는 것.

제안 방법

• CEERS NIRCam 이미지에서 1.6 μm와 4.4 μm 사이의 빨간 색을 보이는 30개의 HST-다크 소스를 선별함.
• HST 및 JWST 데이터를 포함한 12밴드 다중 파장 광도 측정을 사용해 SED 피팅을 수행하여 적색도, 항성 질량, 별 형성률, 먼지 감쇠를 유도함.
• 항성 집단 합성 모델을 사용한 bagpipes SED 피팅 코드를 활용해 광학적 적색도와 물리적 매개변수를 보정함.
• 조사 영역과 적색도 분포를 고려해 샘플의 별 형성률을 복소체적 부피로 통합하여 우주적 별 형성률 밀도(SFRD)를 추정함.
• 이전의 HST-다크 은하 연구와 SMG 집단과의 비교를 통해 연구 결과의 의의를 정의함.
• 보정된 JWST 데이터(단계 2)를 접근하고 처리하기 위해 Mikulski 우주 탐사망원경 아카이브(MAST)를 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이전에 Hubble 자외선 조사에서 검출되지 않았던 적외선 빛나는, 가시광선 어두운 은하의 진정한 본질은 무엇인가?
• RQ2 이러한 HST-다크 은하는 z > 3에서 얼마나 흔한가? 그리고 항성 질량, 먼지 감쇠, 별 형성률 등의 물리적 성질은 어떠한가?
• RQ3 이 은하들은 z ≈ 7에서의 우주적 별 형성률 밀도(SFRD)에 얼마나 기여하는가? 특히 재결합 시대 동안에는 어떤가?
• RQ4 질량이 크고 먼지로 가려진 은하들이 z > 6에 존재하는가? 그 존재는 초기 우주에서 먼지 형성과 은하 진화에 어떤 함의를 지닌다?
• RQ5 이러한 은하들의 포함 여부가, 복원된 가시광선 및 자외선 데이터 기반의 고적색도 은하 인벤토리의 완전성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 30개의 HST-다크 은하 중 80%가 적색도 3 ≤ z ≤ 8에 위치해 있으며, 여덟 개의 은하는 z > 6에 있으며, 이는 재결합 시대에 거대하고 먼지로 뒤덮인 은하의 중요한 집단임을 시사한다.
• 은하는 심하게 먼지로 가려져 있으며, 복원된 가시광선에서의 평균 먼지 감쇠는 A_V ≈ 1.9 ± 0.4 mag로, 복원된 가시광선에서의 극심한 붉은 색을 확인한다.
• 항성 질량은 높으며, z > 6 서브샘플의 중앙값은 log(M*/M☉) = 9.9 ± 0.3으로, 낮은 질량의 난쟁이 은하가 아니라 거대한 별 형성 시스템임을 나타낸다.
• HST-다크 은하는 z ≈ 7에서 별 형성률 밀도(SFRD)를 3.2⁺¹.⁸₋₁.³ × 10⁻³ M☉/yr/Mpc³ 기여하며, z ≈ 3.3에서 z ≈ 7 사이에 거의 일정한 기여를 한다.
• 이 은하는 별 형성 은하의 주요 시퀀스에 위치해 있어, 극단적인 SMG가 아니라 더 흔하고 중간 별 형성률을 보이는 먼지 은하의 더 일반적인 집단임을 시사한다.
• HST-다크 은하의 표면 밀도는 ∼0.8 arcmin⁻²이며, 이는 고적색도 은하 집단에서 중요한, 이전에 발견되지 않았던 구성 요소임을 나타낸다.