[论文解读] Quiescent or dusty? Unveiling the nature of extremely red galaxies at $z>3$

Laia Barrufet, Pascal A. Oesch+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用 5

一句话总结

该论文展示了 JWST/NIRSpec PRISM 光谱观测的23个 HST-dark 星系（H-F444W>1.75），揭示大多数星系尘埃较重，且相当一部分处于静默状态，具有准确的红移和尘埃测量；其中一个静默源显示 AGN 活动。

ABSTRACT

The advent of the JWST has revolutionised our understanding of high-redshift galaxies. In particular, the NIRCam instrument on-board JWST has revealed a population of Hubble Space Telescope (HST)-dark galaxies that had previously evaded optical detection, potentially due to significant dust obscuration, quiescence, or simply extreme redshift. Here, we present the first NIRSpec spectra of 23 HST-dark galaxies ($\mathrm{H-F444W>1.75}$), unveiling their nature and physical properties. This sample includes both dusty and quiescent galaxies with spectroscopic data from NIRSpec/PRISM, providing accurate spectroscopic redshifts with $\mathrm{\overline{z}_{spec} = 4.1 \pm 0.7}$. The spectral features demonstrate that, while the majority of HST-dark galaxies are dusty, a substantial fraction, $\mathrm{13^{+9}_{-6} \%}$, are quiescent. For the dusty galaxies, we have quantified the dust attenuation using the Balmer decrement ($\mathrm{Hα/ Hβ}$), finding attenuations $\mathrm{A_{V} > 2\ mag}$. We find that HST-dark dusty galaxies are $\mathrm{Hα}$ emitters with equivalent widths spanning the range $\mathrm{ 68 A < EW_{Hα} < 550 A }$, indicative of a wide range of recent star-formation activity. Whether dusty or quiescent, we find that HST-dark galaxies are predominantly massive, with 85\% of the galaxies in the sample having masses $\mathrm{log(M_{*}/M_{\odot}) > 9.8}$. This pilot NIRSpec program reveals the diverse nature of HST-dark galaxies and highlights the effectiveness of NIRSpec/PRISM spectroscopic follow-up in distinguishing between dusty and quiescent galaxies and properly quantifying their physical properties. Upcoming research utilising higher-resolution NIRSpec data and combining JWST with ALMA observations will enhance our understanding of these enigmatic and challenging sources.

研究动机与目标

• 使用 NIRSpec PRISM 光谱（1–5 μm）通过 23 个从 NIRCam 成像中选出的 HST-dark 星系，确定其红移分布。
• 通过光谱特征区分尘埃型与静默型 HST-dark 星系。
• 量化样本的尘埃消光与基本物理性质（质量、SFR）。
• 评估 HST-dark 星系中是否存在 AGN 活动。
• 为未来 JWST+ALMA 对高红移红星系的研究提供基准。

提出的方法

• 获取分辨率较低的 (R~100) NIRSpec PRISM 光谱（1–5 μm）用于 23 个 HST-dark 星系，来自 NIRCam 成像的选择。
• 提取发射线与连续光谱，拟合 Hβ、[OIII]、Hα、[NII]、[SII] 以测量线通量与 Balmer 折返。
• 基于发射线与 Balmer breaks 特征将星系分类为尘埃型或静默型。
• 利用 BAGPIPES 在具有光谱红移与多波段光度数据的条件下进行 SED 拟合，以导出 M*、SFR 与 A_V。
• 利用 Balmer 折返 (Hα/Hβ) 借助 Calzetti 消光来推导 A_V，并在 Hα 光度测量中考虑 [NII] 的混合影响。
• 在 SED 分析中引入带有广义 τ 的延迟型 SFH 模型、金属丰度 0.2–2.5 Z⊙，以及 CLOUDY 星云发射。

Figure 1: Colour magnitude diagram (F444W vs H-F444W) of the total sample (grey triangles) of the ’Quiescent or dusty?’ program (GO 2198). We selected 23 red galaxies (red diamonds) with the colour $\mathrm{H-F444W>1.75}$ similar to Barrufet et al. ( 2023a ) (black line). This subset includes severa

实验结果

研究问题

• RQ1 在 JWST/NIRSpec PRISM 观测下，HST-dark 星系的红移分布如何？
• RQ2 基于光谱数据，z>3 的 HST-dark 星系中尘埃型与静默型各占多少比例？
• RQ3 通过 Balmer 折返得到的星尘消光与 SED 拟合中的连续差异消光有何关系？
• RQ4 是否有尘埃型 HST-dark 星系表现出 AGN 活性（通过发射线轮廓指示）？
• RQ5 这些星系的恒星质量与 Hα 等效宽度（EW）是多少，它们与分类之间有何关系？

主要发现

编号	RA	Dec	F_Hα (10^-20 erg/s/cm^2)	F_Hβ (10^-20 erg/s/cm^2)	A_V	EW_Hα (Å)	zspec
1260	53.0748575	-27.875898	290 ± 82	<68	>1.40	68 ± 26	4.44
1548	53.1347898	-27.907492	463 ± 44	<72	>2.77	70 ± 9	4.43
1616	53.0766784	-27.8734698	3553 ± 104	<452	>3.49	331 ± 17	3.46
3012	53.0767591	-27.8641199	414 ± 50	<115	>0.80	149 ± 44	3.47
3339	53.1147448	-27.8904202	1495 ± 50	230 ± 31	2.83	304 ± 59	5.41
3640	53.0821208	-27.8598697	720 ± 94	<78	>4.03	146 ± 31	3.65
4307	53.1406347	-27.8813756	1137 ± 55	83 ± 26	5.40	375 ± 231	5.52
4490	53.0410546	-27.8544706	1829 ± 72	290 ± 42	2.74	484 ± 81	3.70
4820	53.034904	-27.8521791	1966 ± 46	225 ± 36	3.85	545 ± 103	3.79
5446	53.0279874	-27.8470862	1261 ± 51	<209	<2.58	267 ± 24	2.71
5510	53.1783286	-27.8702734	1369 ± 49	<264	>2.06	134 ± 6	3.47
5607	53.1233683	-27.8705379	434 ± 28	72 ± 28	2.58	346 ± 38	3.59
6151	53.0420756	-27.8426437	316 ± 36	<51	>2.65	2025 ± 176	4.38
12469	53.0446935	-27.8136318	2177 ± 50	323 ± 63	2.96	280 ± 17	3.55
12577	53.0484576	-27.8151421	1799 ± 66	146 ± 19	5.05	977 ± 67	5.23
7151	53.05672	-27.836383	1427 ± 67	<119	<4.8	2647 ± 93	3.79

• 中位 z_spec = 4.1 ± 0.7；所有源都位于 z ≳ 3，峰值约在 z ≈ 4。
• 13^{+9}_{-6}% (3/23) 的 HST-dark 样本在 z>3 时为静默型。
• 尘埃型 HST-dark 星系的 Balmer 折返所推导的 A_V 值通常>2.6 mag，某些情形接近 A_V ≈ 5 mag。
• 通过 Balmer 折返得到的尘埃消光高于通过 SED 拟合得到的连续光学消光，体现出 Nebular 与 stellar 区域之间的差异性消光。
• 所有尘埃型 HST-dark 星系都是 Hα 发射体，静态框的 rest-frame EW 介于 ~68 Å 到 ~550 Å（除一个 AGN 主导的案例约 ~1000 Å 外）。
• 一个静默星系（ID=8777，z=4.7）显示出宽 Hα，表明有 AGN 活性；总体而言，样本中 AGN 徽迹较少。

Figure 2: This figure presents spectral fitting examples for two distinct HST-dark galaxies: dusty and quiescent. Black lines denote the observed spectra, while the red lines depict Gaussian fits to spectral lines and the linear fitting to the continuum. (Top) The dusty HST-dark galaxy (ID=3339) pre