[論文レビュー] Cold Dust and Low [OIII]/[CII] Ratios: an Evolved Star-forming Population at Redshift 7

Hiddo Algera, Hanae Inami+18 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、REBELS調査に含まれる3つの質量的で高赤方偏移(z≈7)の銀河について、ALMA Band 8観測を実施し、2つの銀河で冷たいダスト(T_dust ≈ 30–35 K)と低い[OIII]/[CII]線比率を検出した。これらの結果は、安定的かつ非爆発的星形成を示す進化したダスト豊富な銀河の存在を示しており、z≈7の銀河が主に星形成爆発駆動であるという仮定に反するものであり、質量的高赤方偏移銀河における初期のダスト豊富化と静穏的進化の証拠を提供する。

ABSTRACT

We present new ALMA Band 8 (rest-frame $90\,μ$m) observations of three massive ($M_\star \approx 10^{10}\,M_\odot$) galaxies at $z\approx7$ previously detected in [CII]$158\,μ$m and underlying dust continuum emission in the Reionization Era Bright Emission Line Survey (REBELS). We detect the dust continuum emission of two of our targets in Band 8 (REBELS-25 and REBELS-38), while REBELS-12 remains undetected. Through modified blackbody fitting we determine cold dust temperatures ($T_\mathrm{dust} \approx 30 - 35\,$K) in both of the dual-band detected targets, given a fiducial model of optically thin emission with $β= 2.0$. Their dust temperatures are lower than most $z\sim7$ galaxies in the literature, and consequently their dust masses are higher ($M_\mathrm{dust} \approx 10^{8}\,M_\odot$). Nevertheless, these large dust masses are still consistent with predictions from models of dust production in the early Universe. In addition, we target and detect [OIII]$88\,μ$m emission in both REBELS-12 and REBELS-25, and find $L_\mathrm{[OIII]} / L_\mathrm{[CII]}$ ratios of approximately unity, low compared to the $L_\mathrm{[OIII]} / L_\mathrm{[CII]} \gtrsim 2 - 10$ observed in the known $z\gtrsim6$ population thus far. We argue the lower line ratios are due to a comparatively weaker ionizing radiation field resulting from the less starbursty nature of our targets. This low burstiness supports the cold dust temperatures and below average $\mathrm{[OIII]}λ\lambda4959,5007 + \mathrm{H}β$ equivalent widths of REBELS-25 and REBELS-38, compared to the known high-redshift population. Overall, this provides evidence for the existence of a massive, dust-rich galaxy population at $z\approx7$ which has previously experienced vigorous star formation, but is currently forming stars in a steady, as opposed to bursty, manner.

研究の動機と目的

• z≈7の質量的高赤方偏移銀河のダストおよび星間物質の性質を、特に[CII]線放出が検出可能な対象について調査すること。
• これらの銀河における冷たいダスト温度と低い[OIII]/[CII]線比が、非爆発的かつ進化した星形成歴を示すかどうかを特定すること。
• 観測されたダスト性質が、初期の銀河におけるダスト生成および放射平衡理論モデルと整合するかどうかを評価すること。
• 単一バンドALMAデータからの推定ダスト質量および温度に、ダスト温度の事前分布およびクラスタリング仮定が与える影響を評価すること。

提案手法

• 事前に[CII]およびダスト連続スペクトルで検出済みの3つのz≈7銀河について、深さのあるALMA Band 8（rest-frame 90 μm）連続スペクトル観測を実施した。
• 光学的薄い放射を仮定し、β = 2.0として、2つのALMAバンドを用いて修正ブラックボディ（MBB）フィッティングを実行した。
• 2つの銀河で[OIII] 88 μm線を測定し、L_[OIII]/L_[CII]線比を算出し、電離放射場の強度を評価した。
• Fudamotoら（2022a）の単一バンドダスト温度モデルを適用し、UV輝度およびIRサイズを用いて、放射平衡下でのダスト温度を予測した。
• 星形成パラメータのバースト性とクラスタリングを調整しながら、観測されたダスト温度および線比を星形成パラメータ合成およびダスト進化モデルの予測と比較した。
• 広い高赤方偏移銀河集団の文脈に位置づけるために、9つのz>6銀河についての文献データを再分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量的z≈7銀河は、典型的な星形成爆発モデルとは一致しない冷たいダスト温度を示すか？
• RQ2 低い[OIII]/[CII]線比は、これらの銀河における電離放射場および星形成歴にどのような含意を持つか？
• RQ3 z≈7銀河における冷たいダスト温度と高いダスト質量は、進化した非爆発的星形成によって説明可能か？
• RQ4 限られた光度測定を持つ高赤方偏移銀河において、単一バンドダスト温度モデルと多バンドMBBフィッティングはどのように比較されるか？
• RQ5 観測されたダスト性質は、初期宇宙におけるダスト生成理論予測とどの程度整合するか？

主な発見

• 3つのz≈7銀河のうち2つ（REBELS-25およびREBELS-38）は、T_dust ≈ 30–35 Kという冷たいダスト温度を示しており、文献に掲載されたz≈7銀河の多くと比べて顕著に低い。
• これらの銀河のダスト質量はM_dust ≈ 10^8 M_sunと高く、初期銀河におけるダスト生成モデルと整合的である。
• REBELS-12およびREBELS-25では[OIII]/[CII]線比がほぼ1に近く、他のz>6銀河で一般的に見られる2–10の範囲とは著しく低い。
• 低い線比は、電離放射場が弱く、星形成がより非爆発的かつ静穏的であることを示唆している。
• 観測されたダスト性質は、安定的かつ非爆発的星形成を示す進化した質量的銀河群によって最もよく説明される。
• Fudamotoら（2022a）の単一バンドダスト温度モデルは、MBBフィッティングと良好に一致するが、クラスタリング仮定による11 Kの系licate誤差を伴う。