[论文解读] Cold Dust and Low [OIII]/[CII] Ratios: an Evolved Star-forming Population at Redshift 7

Hiddo Algera, Hanae Inami+18 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究基于REBELS巡天对三个红移≈7的高质量、大质量星系进行了ALMA Band 8观测，探测到冷尘（T_dust ≈ 30–35 K）以及其中两个星系的低[OIII]/[CII]线比。研究结果表明，存在一类演化程度较高、富含尘埃的星系，其恒星形成活动稳定且非爆发性，挑战了z≈7星系主要由星暴驱动的假设，并为大质量高红移星系中早期尘埃富集及宁静演化提供了证据。

ABSTRACT

We present new ALMA Band 8 (rest-frame $90\,μ$m) observations of three massive ($M_\star \approx 10^{10}\,M_\odot$) galaxies at $z\approx7$ previously detected in [CII]$158\,μ$m and underlying dust continuum emission in the Reionization Era Bright Emission Line Survey (REBELS). We detect the dust continuum emission of two of our targets in Band 8 (REBELS-25 and REBELS-38), while REBELS-12 remains undetected. Through modified blackbody fitting we determine cold dust temperatures ($T_\mathrm{dust} \approx 30 - 35\,$K) in both of the dual-band detected targets, given a fiducial model of optically thin emission with $β= 2.0$. Their dust temperatures are lower than most $z\sim7$ galaxies in the literature, and consequently their dust masses are higher ($M_\mathrm{dust} \approx 10^{8}\,M_\odot$). Nevertheless, these large dust masses are still consistent with predictions from models of dust production in the early Universe. In addition, we target and detect [OIII]$88\,μ$m emission in both REBELS-12 and REBELS-25, and find $L_\mathrm{[OIII]} / L_\mathrm{[CII]}$ ratios of approximately unity, low compared to the $L_\mathrm{[OIII]} / L_\mathrm{[CII]} \gtrsim 2 - 10$ observed in the known $z\gtrsim6$ population thus far. We argue the lower line ratios are due to a comparatively weaker ionizing radiation field resulting from the less starbursty nature of our targets. This low burstiness supports the cold dust temperatures and below average $\mathrm{[OIII]}λ\lambda4959,5007 + \mathrm{H}β$ equivalent widths of REBELS-25 and REBELS-38, compared to the known high-redshift population. Overall, this provides evidence for the existence of a massive, dust-rich galaxy population at $z\approx7$ which has previously experienced vigorous star formation, but is currently forming stars in a steady, as opposed to bursty, manner.

研究动机与目标

• 研究z≈7大质量高红移星系的尘埃与星际介质性质，特别是那些具有可探测[CII]发射的星系。
• 确定这些星系中冷尘温度与低[OIII]/[CII]线比是否表明其恒星形成历史为非爆发性、已演化。
• 评估观测到的尘埃性质是否与早期星系中尘埃生成与辐射平衡的理论模型一致。
• 评估尘温先验与团块化假设对单波段ALMA数据反演尘质量与温度的影响。

提出的方法

• 对先前在[CII]和尘埃连续谱中已探测到的三个z≈7星系进行了深度ALMA Band 8（rest-frame 90 μm）连续谱观测。
• 采用修正的灰体谱（MBB）拟合方法，基于两组ALMA波段数据，假设光学薄发射且β = 2.0，对尘埃谱能分布（SED）进行拟合。
• 在两个星系中测量了[OIII] 88 μm发射线，以计算L_[OIII]/L_[CII]线比，评估离散电离辐射场强度。
• 应用Fudamoto等人（2022a）的单波段尘温模型，利用紫外光度与红外尺寸预测在辐射平衡条件下的尘温。
• 将观测到的尘温与线比与恒星群体合成及尘埃演化模型的预测进行比较，调整爆发性与团块化参数。
• 重新分析了九个z>6星系的文献数据，这些星系具有多波段ALMA探测结果，以将本研究结果置于更广泛的高红移星系群体背景中。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量z≈7星系是否表现出与典型星暴模型不一致的冷尘温度？
• RQ2 低[OIII]/[CII]线比对这些星系中电离辐射场与恒星形成历史有何含义？
• RQ3 z≈7星系中冷尘温度与高尘质量是否可由演化程度高、非爆发性恒星形成解释？
• RQ4 在光度测量有限的高红移星系中，单波段尘温模型与多波段MBB拟合相比表现如何？
• RQ5 观测到的尘埃性质在多大程度上与早期宇宙中尘埃生成的理论预测一致？

主要发现

• 在三个z≈7星系中的两个（REBELS-25与REBELS-38）中，观测到冷尘温度T_dust ≈ 30–35 K，显著低于文献中大多数z≈7星系的温度。
• 这些星系的尘质量较高，M_dust ≈ 10^8 M_sun，与早期星系中尘埃生成模型一致。
• 在REBELS-12与REBELS-25中，[OIII]/[CII]线比约为1，远低于其他z>6星系中常见的2–10。
• 低线比表明电离辐射场较弱，暗示这些星系的恒星形成历史更不爆发、更趋于宁静。
• 观测到的尘埃性质最合理的解释是：这些星系属于演化程度高、质量大、恒星形成稳定的星系群体，而非近期星暴驱动。
• Fudamoto等人（2022a）的单波段尘温模型预测的温度与MBB拟合结果高度一致，但因团块化假设存在约11 K的系统性偏差。