[論文レビュー] ALMA FIR View of Ultra High-redshift Galaxy Candidates at $z\sim$ 11-17: Blue Monsters or Low-$z$ Red Interlopers?

Seiji Fujimoto, Steven L. Finkelstein+51 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2022

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 41被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ALMAの遠赤外線観測を用いて、z∼11–17の超高赤方偏移銀河候補が真の高赤方偏移星形成銀河であるのか、それともダストで覆われたAGNや強力な線スペクトルを持つ消灯銀河といった低赤方偏移の混入者であるのかを検証する。ほとんどの候補に対して、タイプ-IIおよびダストを含むタイプ-I QSO/AGNが高赤方偏移モデルよりも良好なSEDフィットを示し、Δχ² ≤ 4であることが判明した。これは、低赤方偏移の混入者が除外できないことを示唆しており、特にHD1およびGHZ1/GLz11に対して顕著である。

ABSTRACT

We present ALMA Band~7 observations of a remarkably bright galaxy candidate at $z_{ m phot}$=$16.7^{+1.9}_{-0.3}$ ($M_{ m UV}$=$-21.6$), S5-z17-1, identified in JWST Early Release Observation data of Stephen's Quintet. We do not detect the dust continuum at 866~$μ$m, ruling out the possibility that argb\ is a low-$z$ dusty starburst with a star-formation rate of $\gtrsim 30$~$M_{\odot}$~yr$^{-1}$. We detect a 5.1$σ$ line feature at $338.726\pm0.007$~GHz exactly coinciding with the JWST source position, with a 2\% likelihood of the signal being spurious. The most likely line identification would be [OIII]52$μ$m at $z=16.01$ or [CII]158$μ$m at $z=4.61$, whose line luminosities do not violate the non-detection of the dust continuum in both cases. Together with three other $z\gtrsim$ 11--13 candidate galaxies recently observed with ALMA, we conduct a joint ALMA and JWST spectral energy distribution (SED) analysis and find that the high-$z$ solution at $z\sim$11--17 is favored in every candidate as a very blue (UV continuum slope of $\simeq-2.3$) and luminous ($M_{ m UV}\simeq[-$24:$-21]$) system. Still, we find in several candidates that reasonable SED fits ($Δ$ $χ^{2}\lesssim4$) are reproduced by type-II quasar and/or quiescent galaxy templates with strong emission lines at $z\sim3$--5, where such populations predicted from their luminosity functions and EW([OIII]+H$β$) distributions are abundant in survey volumes used for the identification of the $z\sim$11--17 candidates. While these recent ALMA observation results have strengthened the likelihood of the high-$z$ solutions, lower-$z$ possibilities are not completely ruled out in several of the $z\sim$11--17 candidates, indicating the need to consider the relative surface densities of the lower-$z$ contaminants in the ultra high-$z$ galaxy search.

研究の動機と目的

• z∼11–17の超高赤方偏移銀河候補が真の高赤方偏移星形成銀河であるのか、それとも低赤方偏移の混入者（例：ダストで覆われたAGNや強力な線スペクトルを持つ消灯銀河）であるのかを評価すること。
• ダストを含むAGNおよび強力な線スペクトルを持つ消灯銀河が、観測SEDの代替的説明として妥当であるかどうかを評価すること。
• z>11銀河の探索における低赤方偏移混入者の相対的表面密度を定量化すること。
• HD1のような候補の極端な青色およびIRが弱い性質が、高赤方偏移星形成と低赤方偏移AGN活動のどちらと整合するかを検証すること。
• 低赤方偏移AGNシナリオにおけるダスト減光およびイオン化背景の物理的妥当性を検討すること。

提案手法

• 10個のz∼11–17銀河候補に対してALMA 1.3 mm連続スペクトルおよびライン観測を実施し、遠赤外線放射を調査した。
• CIGALEおよびInterferopyを用いて、UV–FIR波長域における観測光度をフィットするSEDモデルを構築した。
• 高赤方偏移星形成銀河テンプレートと、タイプ-IIおよびダストを含むタイプ-I QSO/AGN、強力な線スペクトルを持つ消灯銀河を含む低赤方偏移テンプレートを比較した。
• χ²統計を用いてモデルフィットを評価し、Δχ² ≤ 4が許容可能なフィットを示した。
• 発光線の等価幅（例：[O iii]+Hβ）を分析し、AGN活動と星形成活動を区別した。
• 低赤方偏移AGNシナリオの物理的整合性を評価した。これには、ダスト減光およびイオン化背景の効果が含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z∼11–17銀河候補の観測SEDは、高赤方偏移星形成と低赤方偏移AGNのどちらによってよりよく説明できるか？
• RQ2 観測領域における低赤方偏移混入者（例：ダストを含むAGN、消灯銀河）の相対的表面密度は、高赤方偏移銀河と比べてどの程度か？
• RQ3 HD1および他の候補の極端な青色およびIRが弱い性質は、高赤方偏移星形成と低赤方偏移AGN活動のどちらと整合するか？
• RQ4 F115WとF150Wの間の連続スペクトルの断片（例：連続スペクトルの断片）は、赤方偏移およびSEDフィットの解釈にどのように影響するか？
• RQ5 低赤方偏移AGNモデルにおける強力な発光線および赤い連続スペクトルが、高赤方偏移銀河探索に与える影響は何か？

主な発見

• タイプ-IIおよび/またはダストを含むタイプ-I QSO/AGNが、z∼11–17候補の多くに対して高赤方偏移星形成銀河モデルよりも良好なSEDフィットを示し、Δχ² ≤ 4であった。
• 調査領域全体では、AGNを伴う消灯銀河（QG+AGN）の存在は無視できるほど少なく、HD1を除いてはその存在はわずかに一致するにとどまった。
• ダストを含むタイプ-IIおよびタイプ-I QSO/AGNの集団は、z∼11–17候補の期待される数密度において、すべてを上回っていた。
• タイプ-II QSOおよび強力な発光線を持つQGのSEDテンプレートは、GHZ1/GLz11を除くすべての候補に対して許容可能なフィット（Δχ² ≤ 4）を示した。GHZ1/GLz11は、F115WとF150Wの間に2.9 magの明確な連続スペクトルの断片を示していた。
• GHZ1/GLz11の連続スペクトルの断片は、低赤方偏移AGNモデルと整合せず、高赤方偏移起源を支持するが、他の候補については低赤方偏移の代替案が依然として妥当である。
• 本研究は、低赤方偏移の混入者、特にダストを含むAGNが、いくつかの高赤方偏移候補に対して除外できないと結論づけ、超高赤方偏移銀河調査においてその表面密度を考慮する必要があることを強調した。