[论文解读] Unveiling the Nature of Infrared Bright, Optically Dark Galaxies with Early JWST Data

L. Barrufet, P. A. Oesch+19 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 7

一句话总结

利用来自CEERS巡天的早期詹姆斯·韦布空间望远镜NIRCam成像，本研究识别出30个HST暗星系——即在哈勃紫外巡天中未被探测到的尘埃遮蔽、大质量的恒星形成星系——表明这些星系在z ≈ 2–8时普遍存在，具有A_V ≈ 2 mag和log(M*/M☉) ≈ 10的特性，并在z ≈ 7时对宇宙恒星形成率密度有显著贡献，揭示了一个此前缺失的关键星系群体，对理解早期宇宙中的星系演化至关重要。

ABSTRACT

Over the last few years, both ALMA and Spitzer/IRAC observations have revealed a population of likely massive galaxies at $z>3$ that was too faint to be detected in HST rest-frame ultraviolet imaging. However, due to the very limited photometry for individual galaxies, the true nature of these so-called HST-dark galaxies has remained elusive. Here, we present the first sample of such galaxies observed with very deep, high-resolution NIRCam imaging from the Early Release Science Program CEERS. 30 HST-dark sources are selected based on their red colours across 1.6 $μ$m to 4.4 $μ$m. Their physical properties are derived from 12-band multi-wavelength photometry, including ancillary HST imaging. We find that these galaxies are generally heavily dust-obscured ($A_{V}\sim2$ mag), massive ($\log (M/M_{\odot}) \sim10$), star-forming sources at $z\sim2-8$ with an observed surface density of $\sim0.8$ arcmin$^{-2}$. This suggests that an important fraction of massive galaxies may have been missing from our cosmic census at $z>3$ all the way into the Reionization epoch. The HST-dark sources lie on the main sequence of galaxies and add an obscured star formation rate density (SFRD) of $\mathrm{3.2^{+1.8}_{-1.3} imes 10^{-3} M_{\odot}/yr/Mpc^{3}}$ at $z\sim7$ showing likely presence of dust in the Epoch of Reionization. Our analysis shows the unique power of JWST to reveal this previously missing galaxy population and to provide a more complete census of galaxies at $z=2-8$ based on rest-frame optical imaging.

研究动机与目标

• 识别并表征因尘埃遮蔽而被哈勃望远镜遗漏的红外明亮、光学暗淡星系群体。
• 利用深度、高分辨率的JWST NIRCam成像和多波段测光，确定这些HST暗星系的物理特性。
• 评估这些星系在高红移，特别是再电离时期，对宇宙恒星形成率密度（SFRD）的贡献。
• 评估尘埃在早期大质量星系中的作用，并检验此类源是否在以往基于紫外的巡天中系统性地被低估。
• 展示JWST通过rest-frame光学成像揭示高红移星系完整普查的独特能力。

提出的方法

• 基于CEERS巡天中NIRCam成像在1.6 μm与4.4 μm之间的红色颜色，筛选出30个HST暗源。
• 利用包含HST和JWST数据在内的12波段多波段测光进行Sed拟合，推导红移、恒星质量、恒星形成率和尘埃消光。
• 使用星族合成模型校准光度红移和物理参数，采用bagpipes SED拟合代码。
• 通过在共动体积内积分样本的恒星形成率，估算宇宙恒星形成率密度（SFRD），并考虑巡天面积和红移分布。
• 将结果与以往HST暗星系研究及亚毫米波星系（SMG）群体进行比较，以定位研究发现的意义。
• 利用迈克尔斯基空间望远镜档案（MAST）访问并处理经过校准的JWST数据（阶段2）。

实验结果

研究问题

• RQ1 此前在哈勃紫外巡天中未被探测到的红外明亮、光学暗淡星系的真实本质是什么？
• RQ2 这些HST暗星系在z > 3时有多普遍？其物理特性（如恒星质量、尘埃消光、恒星形成率）如何？
• RQ3 这些星系在z ≈ 7时对宇宙恒星形成率密度（SFRD）的贡献有多大，特别是在再电离时期？
• RQ4 在z > 6时是否存在大质量、尘埃遮蔽的星系？其存在对早期宇宙中尘埃形成和星系演化意味着什么？
• RQ5 将这些星系纳入考虑后，基于rest-frame光学和紫外数据的高红移星系普查的完整性如何变化？

主要发现

• 80%的30个HST暗星系位于红移3 ≤ z ≤ 8之间，其中8个星系位于z > 6，表明在再电离时期存在一个显著的大质量、尘埃遮蔽星系群体。
• 这些星系被严重尘埃遮蔽，其介质尘埃消光的中位数为A_V ≈ 1.9 ± 0.4 mag，证实其在rest-frame光学至近红外波段存在极端红化。
• 恒星质量较高，z > 6子样本的中位数为log(M*/M☉) = 9.9 ± 0.3，表明它们是大质量恒星形成系统，而非低质量矮星系。
• HST暗星系在z ≈ 7时贡献的恒星形成率密度（SFRD）为3.2⁺¹.⁸₋₁.³ × 10⁻³ M☉/yr/Mpc³，且从z ≈ 3.3到z ≈ 7之间贡献几乎恒定。
• 这些星系位于恒星形成星系的主序列上，表明它们并非极端亚毫米波星系（SMGs），而是代表了一类更常见、恒星形成率适中的尘埃遮蔽星系群体。
• HST暗星系的表面密度约为0.8 arcmin⁻²，表明其是高红移星系群体中一个显著且此前被遗漏的重要组成部分。