[论文解读] Knocking on giants' doors: I. The evolution of the dust-to-stellar mass ratio in distant dusty galaxies

D. Donevski, Andrea Lapi+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 204被引用 8

一句话总结

本研究利用ALMA观测，调查了300个质量大、富含尘埃的星系在红移$z \leq 5$范围内的尘埃与恒星质量比（$M_{\rm dust}/M_\star$）的演化。结果表明，$M_{\rm dust}/M_\star$在$z \sim 2$之前持续增加，随后趋于平坦，表明在金属丰度高、高红移环境中尘埃生长效率极高，其中星暴星系因具有紧凑且富含气体的条件，表现出最高的比值。

ABSTRACT

The dust-to-stellar mass ratio ($M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$) is a crucial yet poorly constrained quantity to understand the production mechanisms of dust, metals and stars in galaxy evolution. In this work we explore and interpret the nature of $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ in 300 massive ($M_{\star}>10^{10}M_{\odot}$), dusty star-forming galaxies detected with ALMA up to $z\approx5$. We find that $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ evolves with redshift, stellar mass, specific SFR and integrated dust size, differently for main sequence and starburst galaxies. In both galaxy populations $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ rises until $z\sim2$ followed by a roughly flat trend towards higher redshifts. We show that the inverse relation between $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ and $M_{\star}$ holds up to $z\approx5$ and can be interpreted as an evolutionary transition from early to late starburst phases. We demonstrate that $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ in starbursts mirrors the increase in molecular gas fraction with redshift, and is enhanced in objects with the most compact dusty star-formation. The state-of-the-art cosmological simulation SIMBA broadly matches the evolution of $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ in main sequence galaxies, but underestimates it in starbursts. The latter is found to be linked to lower gas-phase metallicities and longer dust growth timescales relative to data. Our data are well reproduced by analytical model that includes recipes for rapid metal enrichment, strongly suggesting that high $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ is due to fast grain growth in metal enriched ISM. Our work highlights multifold benefits of using $M_{ m dust}$/$M_{ m \star}$ as a diagnostic tool for: (1) separating main sequence and starburst galaxies until $z\sim5$; (2) probing the evolutionary phases of dusty galaxies, and (3) refining the treatment of dust life cycle in simulations.

研究动机与目标

• 约束距离遥远的尘埃富含星系（DSFGs）在$z \approx 5$以内的尘埃与恒星质量比（$M_{\rm dust}/M_\star$）的演化。
• 区分不同星系族群中$M_{\rm dust}/M_\star$变化的物理驱动因素，特别是主序列（MS）星系与星暴（SB）星系。
• 检验最先进的宇宙学模拟和现象学模型是否能再现观测到的$M_{\rm dust}/M_\star$演化趋势。
• 评估$M_{\rm dust}/M_\star$作为诊断工具在识别高红移星系演化阶段及区分MS与SB星系方面的潜力。

提出的方法

• 利用ALMA对300个质量大、富含尘埃的星系在$z \leq 5$的观测，通过SED拟合和亚毫米波测光反演其尘埃质量和恒星质量。
• 基于其单位恒星形成率（sSFR）相对于主序列关系，将星系划分为主序列（MS）和星暴（SB）两类。
• 量化$M_{\rm dust}/M_\star$随红移、恒星质量、sSFR和总尘埃大小的变化，以识别演化趋势。
• 将观测结果与宇宙学模拟（SIMBA）和解析/现象学模型（Bethermin et al. 2017；Pantoni et al. 2019）进行比较，评估模型性能。
• 引入分子气体分数（$f_{\rm gas}$）和红外表面亮度（$\Sigma_{\rm IR}$），以探究紧凑性和气体含量对尘埃生长的影响。
• 通过比较模型预测与观测的$M_{\rm dust}/M_\star$，评估模型偏差，重点关注气相金属丰度和尘埃生长 timescale。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高红移尘埃富含星系中，尘埃与恒星质量比（$M_{\rm dust}/M_\star$）如何随红移演化？
• RQ2 哪些物理参数——如恒星质量、sSFR和尘埃大小——驱动了主序列与星暴星系中$M_{\rm dust}/M_\star$的观测趋势？
• RQ3 宇宙学模拟（如SIMBA）在多大程度上能再现星暴系统中观测到的$M_{\rm dust}/M_\star$演化，特别是其演化特征？
• RQ4 现象学与解析模型在多大程度上能准确捕捉宇宙时空中$M_{\rm dust}/M_\star$的演化趋势？
• RQ5 紧凑、金属丰度高的恒星形成在增强高红移星系中$M_{\rm dust}/M_\star$方面起到何种作用？

主要发现

• 尘埃与恒星质量比（$M_{\rm dust}/M_\star$）随红移增加至$z \sim 2$，随后在更高红移保持近似平坦，表明早期宇宙中尘埃生长效率极高。
• $M_{\rm dust}/M_\star$与恒星质量之间的反相关性在$z \approx 5$以内依然成立，与早期至晚期星暴阶段的演化转变一致。
• 在星暴星系中，$M_{\rm dust}/M_\star$在尘埃恒星形成区域最紧凑的系统中最高，反映出在致密、金属丰度高的环境中尘埃生长增强。
• SIMBA宇宙学模拟在$2\sigma$范围内再现了主序列星系的$M_{\rm dust}/M_\star$演化，但在星暴星系中显著低估了该比值，主要由于气相金属丰度较低和尘埃生长 timescale 较长。
• 现象学模型（Bethermin et al. 2017）和解析模型（Pantoni et al. 2019）均成功再现了观测到的$M_{\rm dust}/M_\star$趋势，支持金属富集的星际介质中快速尘埃颗粒生长的作用。
• 星暴星系中观测到的$M_{\rm dust}/M_\star$与分子气体分数（$f_{\rm gas} = 0.75 \pm 0.09$）强相关，证实高气体含量驱动了尘埃质量的升高。