[논문 리뷰] The ALMA-CRISTAL survey: Widespread dust-obscured star formation in typical star-forming galaxies at z=4-6

Ikki Mitsuhashi, Ken-ichi Tadaki외 30명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 29.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 CRISTAL 조사의 ALMA 관측을 통해 적색이동 z=4–6에서의 일반적인 성간 별 형성은 먼지에 의해 가려진 별 형성의 특성을 조사한다. 연구에서는 확장된 디스크 전반에 걸쳐 널리 퍼져 있는 중간 정도의 가림을 받은 별 형성이 존재하며, 먼지 방출의 크기는 약 1.5 kpc(자외선 크기의 두 배)이며, 적외선 표면 밀도는 밀도가 높은 먼지 별폭풍보다 약 10배 낮아, 집중적인 폭풍이 아니라 고르게 퍼져 있는 디스크 전반의 별 형성임을 시사한다.

ABSTRACT

We present the morphological parameters and global properties of dust-obscured star formation in typical star-forming galaxies at z=4-6. Among 26 galaxies composed of 20 galaxies observed by the Cycle-8 ALMA Large Program, CRISTAL, and six galaxies from archival data, we have individually detected rest-frame 158$μ$m dust continuum emission from 19 galaxies, nine of which are reported for the first time. The derived far-infrared luminosities are in the range $\log_{10} L_{ m IR}\,[L_{\odot}]=$10.9-12.4, an order of magnitude lower than previously detected massive dusty star-forming galaxies (DSFGs). The average relationship between the fraction of dust-obscured star formation ($f_{ m obs}$) and the stellar mass is consistent with previous results at z=4-6 in a mass range of $\log_{10} M_{\ast}\,[M_{\odot}]\sim$9.5-11.0 and show potential evolution from z=6-9. The individual $f_{ m obs}$ exhibits a significant diversity, and it shows a correlation with the spatial offset between the dust and the UV continuum, suggesting the inhomogeneous dust reddening may cause the source-to-source scatter in $f_{ m obs}$. The effective radii of the dust emission are on average $\sim$1.5 kpc and are $\sim2$ times more extended than the rest-frame UV. The infrared surface densities of these galaxies ($Σ_{ m IR}\sim2.0 imes10^{10}\,L_{\odot}\,{ m kpc}^{-2}$) are one order of magnitude lower than those of DSFGs that host compact central starbursts. On the basis of the comparable contribution of dust-obscured and dust-unobscured star formation along with their similar spatial extent, we suggest that typical star-forming galaxies at z=4-6 form stars throughout the entirety of their disks.

연구 동기 및 목표

• z=4–6에서 일반적인 성간 별 형성 은하에서 먼지에 의해 가려진 별 형성의 형태와 전반적인 특성을 규명하는 것.
• 고적색이동 은하에서 자외선 연속체에 비해 먼지 방출의 공간적 범위와 표면 밀도를 결정하는 것.
• 먼지 적색화가 관측된 은하 간의 은하별 은폐된 별 형성 비율(f_obs) 다양성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 일반적인 성간 별 형성 은하의 별 형성 특성과 극단적인 먼지 별폭풍 은하(DSFGs)의 특성을 비교하는 것.

제안 방법

• z=4–6에서 20개의 은하에 대해 깊은 ALMA Cycle-8 관측을 실시하고, 추가로 6개의 은하에 대해 자료를 보존 자료로 보완.
• 휴대형 158 μm 먼지 연속체 방출을 측정하여 UVMultifit를 사용한 가시성 평면 피팅을 통해 적외선 빛의 총량과 먼지 방출 크기를 유도.
• HST/F160W 이미징으로부터 얻은 휴대형 자외선 크기와 비교하여 공간적 이격과 구조적 차이를 평가.
• 낮은 신호 대비 잡음 비율을 보이는 소스에 대해 스택 분석을 실시하여 개별 크기 측정의 신뢰성과 체계적 편향을 평가.
• 고정된 (n=1) 및 자유도 있는 n을 사용한 세르시 프로파일 피팅을 통해 자외선 크기 측정의 구조적 가정에 대한 민감도를 시험.
• 은폐된 별 형성 비율(f_obs)을 정량화하고, 자외선과 먼지 성분 간의 공간적 이격과의 상관관계를 분석.

Figure 1: SFR vs stellar mass with $z=5$ main-sequence parameterization (Speagle et al., 2014 ) and comparison $z=4$ –6 galaxies in the COSMOS catalog (Laigle et al., 2016 ) . Pink squares are primary targets of the CRISTAL program and blue squares are serendipitously detected galaxies and additiona

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 성간 별 형성 은하에서 z=4–6에서 먼지 방출의 공간적 범위와 형태는 어떻게 되는가?
• RQ2 먼지에 의해 은폐된 별 형성 비율(f_obs)은 은하의 질량과 자외선 및 먼지 성분 간의 공간적 이격과 어떻게 상관되는가?
• RQ3 이러한 일반적인 은하의 적외선 표면 밀도는 밀도가 높은 고적색이동 먼지 별폭풍(DSFGs)과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 비균일한 먼지 분포가 개별 은하 간 f_obs의 관측된 산란을 얼마나 설명하는가?
• RQ5 이 은하들의 별 형성은 압축된 영역에 집중되어 있는가, 아니면 확장된 디스크 전반에 퍼져 있는가?

주요 결과

• 휴대형 158 μm 먼지 연속체는 26개 은하 중 19개에서 검출되었으며, 이 중 9개는 새로운 검출로, 적외선 빛의 총량은 log₁₀(L_IR/L☉) = 10.9에서 12.4의 범위를 가진다.
• 먼지 방출의 평균 효과 반경은 약 1.5 kpc이며, 이는 휴대형 자외선 방출 크기의 약 두 배로, 더 넓게 퍼져 있는 먼지와 별 형성을 시사한다.
• 적외선 표면 밀도(Σ_IR ~ 2.0 × 10¹⁰ L☉ kpc⁻²)는 밀도가 높은 고적색이동 DSFGs의 값보다 약 10배 낮다.
• 은폐된 별 형성 비율(f_obs)은 자외선과 먼지 성분 간의 공간적 이격과 상관관계를 보이며, 이는 관측된 산란의 주요 원인으로 비균일한 먼지 적색화가 작용할 가능성을 시사한다.
• 먼지와 자외선 방출의 유사한 공간적 범위는 별 형성이 중심 영역에 국한되지 않고 디스크 전반에 퍼져 있음을 의미한다.
• 스택 분석을 통해 개별 크기 측정의 신뢰성이 확인되었으며, 스택된 크기(0.209″ ± 0.061″)는 개별 크기 평균(0.237″)과 1σ 불확도 내에서 일치한다.

Figure 2: Thumbnails of the dust detected CRISTAL galaxies. The background images are HST /F160W images. The natural-weighted and natural-weighted+ $0.5^{\prime\prime}$ -Tapered rest-frame 158 $\mu{\rm m}$ dust continuums are also shown in red and blue contours, respectively. An average beam size of