[论文解读] ALMA FIR View of Ultra High-redshift Galaxy Candidates at $z\sim$ 11-17: Blue Monsters or Low-$z$ Red Interlopers?

Seiji Fujimoto, Steven L. Finkelstein+51 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2022

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 41被引用 5

一句话总结

本研究利用ALMA亚毫米波段的远红外观测，检验z∼11–17的超高红移星系候选体是否为真实的高红移星爆星系，或为低红移干扰体（如尘埃遮蔽的AGN或具有强发射线的宁静星系）。研究发现，对于大多数候选体，II型及尘埃遮蔽的I型类星体/AGN的SED拟合优于高红移星形成模型，Δχ² ≤ 4，表明低红移污染源无法被排除，尤其对HD1和GHZ1/GLz11而言更为显著。

ABSTRACT

We present ALMA Band~7 observations of a remarkably bright galaxy candidate at $z_{ m phot}$=$16.7^{+1.9}_{-0.3}$ ($M_{ m UV}$=$-21.6$), S5-z17-1, identified in JWST Early Release Observation data of Stephen's Quintet. We do not detect the dust continuum at 866~$μ$m, ruling out the possibility that argb\ is a low-$z$ dusty starburst with a star-formation rate of $\gtrsim 30$~$M_{\odot}$~yr$^{-1}$. We detect a 5.1$σ$ line feature at $338.726\pm0.007$~GHz exactly coinciding with the JWST source position, with a 2\% likelihood of the signal being spurious. The most likely line identification would be [OIII]52$μ$m at $z=16.01$ or [CII]158$μ$m at $z=4.61$, whose line luminosities do not violate the non-detection of the dust continuum in both cases. Together with three other $z\gtrsim$ 11--13 candidate galaxies recently observed with ALMA, we conduct a joint ALMA and JWST spectral energy distribution (SED) analysis and find that the high-$z$ solution at $z\sim$11--17 is favored in every candidate as a very blue (UV continuum slope of $\simeq-2.3$) and luminous ($M_{ m UV}\simeq[-$24:$-21]$) system. Still, we find in several candidates that reasonable SED fits ($Δ$ $χ^{2}\lesssim4$) are reproduced by type-II quasar and/or quiescent galaxy templates with strong emission lines at $z\sim3$--5, where such populations predicted from their luminosity functions and EW([OIII]+H$β$) distributions are abundant in survey volumes used for the identification of the $z\sim$11--17 candidates. While these recent ALMA observation results have strengthened the likelihood of the high-$z$ solutions, lower-$z$ possibilities are not completely ruled out in several of the $z\sim$11--17 candidates, indicating the need to consider the relative surface densities of the lower-$z$ contaminants in the ultra high-$z$ galaxy search.

研究动机与目标

• 评估z∼11–17的超高红移星系候选体是否为真实的高红移星爆星系，或为低红移干扰体。
• 评估尘埃遮蔽的AGN和具有强发射线的宁静星系作为观测SED替代解释的可行性。
• 量化在寻找z>11星系过程中，低红移污染源的相对表面密度。
• 检验HD1等候选体极端蓝光与红外暗淡的特性是否与高红移星形成一致，或更可能源于低红移AGN活动。
• 检验低红移AGN情景下尘埃消光与电离背景的物理合理性。

提出的方法

• 获取10个z∼11–17星系候选体的ALMA 1.3 mm连续谱与线观测，以探测其远红外辐射。
• 利用CIGALE和Interferopy构建SED模型，拟合紫外至远红外波段的观测测光数据。
• 将高红移星爆星系模板与低红移模板（包括II型及尘埃遮蔽的I型类星体/AGN和具有发射线的宁静星系）进行比较。
• 使用χ²统计量评估模型拟合优度，Δχ² ≤ 4表示拟合可接受。
• 分析发射线等效宽度（如[O iii]+Hβ）以区分AGN与星形成活动。
• 评估低红移AGN情景的物理一致性，包括尘埃消光与电离背景效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 z∼11–17星系候选体的观测SED是否更可能由高红移星形成解释，或由低红移AGN解释？
• RQ2 在观测场中，低红移污染源（如尘埃遮蔽AGN、宁静星系）的相对表面密度与高红移星系相比如何？
• RQ3 HD1及其他候选体的极端蓝光与红外暗淡特性是否与高红移星形成一致，或更符合低红移AGN活动？
• RQ4 观测到的连续谱断点（如F115W与F150W之间）如何影响红移与SED拟合的解释？
• RQ5 低红移AGN模型中强发射线与红光谱的特性对高红移星系搜寻有何影响？

主要发现

• 对于大多数z∼11–17候选体，II型及/或尘埃遮蔽的I型类星体/AGN的SED拟合优于高红移星爆星系模型，Δχ² ≤ 4。
• 在整个调查体积中，具有AGN的宁静星系（QG+AGN）丰度可忽略不计，仅HD1表现出与该类别的微弱一致性。
• 尘埃遮蔽的II型及I型类星体/AGN的预期数量密度远超所有z∼11–17候选体。
• II型类星体及具有强发射线的宁静星系SED模板对除GHZ1/GLz11外的所有候选体均提供可接受的拟合（Δχ² ≤ 4），而GHZ1/GLz11在F115W与F150W之间表现出显著的2.9 mag连续谱断点。
• GHZ1/GLz11的连续谱断点与低红移AGN模型不一致，更支持高红移起源，但对其他候选体而言，低红移替代解释仍具可能性。
• 本研究结论认为，低红移污染源（尤其是尘埃遮蔽AGN）无法被排除，尤其对多个高红移候选体而言，强调在超高红移星系搜集中必须考虑其表面密度。