[논문 리뷰] Witnessing the birth of the red sequence: the physical scale and morphology of dust emission in hyper-luminous starbursts in the early Universe

I. Oteo, R. J. Ivison외 23명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 13.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 z ≈ 4–6에서 44개의 초적색 먼지로 뒤덮인 별성폭발 은하에 대한 고해상도 ALMA 870 μm 관측을 통해 먼지 복사의 형태와 물리적 크기를 조사한다. 이들 원천은 평균 약 1.46 kpc의 극히 작고, 기체 고갈 시간 상수가 짧으며, 대량의 밀도가 높고, 적색·무성 은하의 원형으로 간주되며, 초기 우주의 고질량 끝부분 레드 시퀀스의 탄생을 나타낸다.

ABSTRACT

We present high-spatial-resolution ($\sim 0.12''$ or $\approx 800 \, { m pc}$ at $z = 4.5$) ALMA $870\,μ$m dust continuum observations of a sample of 44 ultrared dusty star-forming galaxies (DSFGs) selected from the H-ATLAS and HerMES far-infrared surveys because of their red colors from 250 to 500 $μ$m: $S_{500} / S_{250} > 1.5$ and $S_{500} / S_{350} > 1.0$. With photometric redshifts in the range $z \sim 4$-6, our sample includes the most luminous starbursting systems in the early Universe known so far, with total obscured star-formation rates (SFRs) of up to $\sim 4,500 \, M_\odot \, { m yr}^{-1}$, as well as a population of lensed, less intrinsically luminous sources. The lower limit on the number of ultrared DSFGs at 870 $μ$m (with flux densities measured from the ALMA maps and thus not affected by source confusion) derived in this work is in reasonable agreement with models of galaxy evolution, whereas there have been reports of conflicts at 500 $μ$m (where flux densities are derived from SPIRE). Ultrared DSFGs have a variety of morphologies (from relatively extended disks with smooth radial profiles, to compact sources, both isolated and interacting) and an average size, $θ_{ m FWHM}$, of $1.46 \pm 0.41\, { m kpc}$, considerably smaller than the values reported in previous work for less-luminous DSFGs at lower redshifts. The size and the estimated gas-depletion times of our sources are compatible with their being the progenitors of the most massive, compact, red-and-dead galaxies at $z \sim 2$-3, and ultimately of local ultra-massive elliptical galaxies or massive galaxy clusters. We are witnessing the birth of the high-mass tail of the red sequence of galaxies.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주에서 가장 빛나는 별성폭발 은하의 먼지 복사 형태와 물리적 크기를 규명하기 위해.
• 고해상도 ALMA 데이터를 사용하여 500 μm(SPIRE)에서 관측된 초적색 DSFG의 수량 수치와 모델 예측 간의 괴리를 해결하기 위해.
• 이러한 초광량, 먼지로 뒤덮인 별성폭발 은하가 z ≈ 2–3에서 관측된 대량의 밀도가 높고, 정적 상태인 은하의 원형인지 테스트하기 위해.
• 이전의 적외선 원거리 스캔에서의 소스 혼잡함, 빔 스메어링, 유량 증폭 효과가 수량 수치에 영향을 미쳐 왜곡되었을 가능성을 평가하기 위해.
• 고적색 별성폭발 은하와 국지 초질량 타원은하의 형성 간의 진화적 연결 고리를 확립하기 위해.

제안 방법

• 초적색 먼지로 뒤덮인 별성폭발 은하(DSFG) 44개를 H-ATLAS 및 HerMES 조사에서 선별하였으며, 빨간 SPIRE 색상(S500/S250 > 1.5, S500/S350 > 1.0)을 통해 고적색(즉, z ≈ 4–6)임을 확인하였다.
• 물리적 크기와 소스 형태를 측정하기 위해 고공간 해상도(≈0.12″ 또는 z=4.5에서 800 pc)의 ALMA 870 μm 먼지 연속 복사 관측을 수행하였다.
• 광학적 적색편이와 SED 모델링을 사용하여 총 은폐된 별형성률(SFR)을 추정하였으며, 개별 구성 요소의 SFR은 최대 약 ~2,400 M⊙ yr⁻¹에 이르렀다.
• ALMA에서 유도된 870 μm 수량 수치를 SPIRE 기반의 500 μm 수량 수치와 비교하여 빔 스메어링과 유량 증폭의 영향을 평가하였다.
• 먼지 복사 구성 요소의 반폭(FWHM) 크기를 측정하여 물리적 크기와 기체 고갈 시간 상수를 추정하였다.
• 크기 및 SFR 시간 상수 비교를 통해 이들 밀도가 높고 빛나는 별성폭발 은하가 z ≈ 2–3에서 관측된 대량의 정적 은하와의 진화적 연결 고리를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 4–6에서 가장 빛나는 별성폭발 은하의 먼지 복사 형태는 무엇이며, 물리적 크기는 어떻게 되는가?
• RQ2 왜 SPIRE의 500 μm에서 관측된 초적색 DSFG의 수량 수치는 모델 예측과 충돌하는 반면, ALMA의 870 μm 수량 수치는 충돌하지 않는가?
• RQ3 이러한 초광량, 먼지로 뒤덮인 별성폭발 은하는 z ≈ 2–3에서 관측된 대량의 밀도가 높고 정적 상태인 은하의 원형인가?
• RQ4 이들 원천의 기체 고갈 시간 상수는 적색·무성 은하의 진화 및 억제에 필요한 시간 상수와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 큰 SPIRE 빔에서의 빔 스메어링과 유량 증폭 효과가 500 μm 수량 수치의 신뢰성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 44개의 초적색 DSFG에서 먼지 복사의 평균 FWHM 크기는 1.46 ± 0.41 kpc이며, 저조도 DSFG의 저적색에서 측정된 크기보다 현저히 작다.
• 이들 원천은 부드러운 디스크, 밀도가 높은 원천, 상호작용 시스템 등 다양한 형태를 보이며, 다양한 형성 경로를 시사한다.
• 모든 구성 요소의 총 은폐된 별형성률은 최대 약 ~4,500 M⊙ yr⁻¹에 이르며, 개별 구성 요소는 최대 약 ~2,400 M⊙ yr⁻¹에 이른다.
• 기체 고갈 시간 상수는 수백만 년 내외로 추정되며, 이는 빠른 억제와 밀도가 높은 정적 은하의 형성과 일치한다.
• ALMA에서 유도된 870 μm 수량 수치는 은하 진화 모델과 양호한 일치를 보이며, SPIRE 데이터에서 관측된 500 μm에서의 괴리를 해결하였다.
• 500 μm에서 관측된 괴리는 큰 SPIRE 빔에서의 빔 스메어링과 유량 증폭 효과로 기인하며, 고해상도 ALMA 관측에서는 이러한 효과가 존재하지 않아서 발생한다.