[论文解读] Dusty Starbursts Masquerading as Ultra-high Redshift Galaxies in JWST CEERS Observations

Jorge A. Zavala, V. Buat+122 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 8

一句话总结

本文表明，在中等红移（z ≈ 6–8）的尘埃富集星暴星系，由于亚毫米波段强烈的尘埃辐射，可能在詹姆斯·韦伯空间望远镜CEERS观测中模仿出极高红移星系（z > 10）的测光特征。通过光谱能量分布（SED）建模与宇宙学质量函数约束，作者表明，z > 10处1 mJy的亚毫米波检测意味着星形成速率超过100 M☉/yr，且尘埃质量超过ΛCDM模型的限制，强烈支持此类检测的真实起源应为低红移尘埃富集星暴星系。

ABSTRACT

Lyman Break Galaxy (LBG) candidates at z>10 are rapidly being identified in JWST/NIRCam observations. Due to the (redshifted) break produced by neutral hydrogen absorption of rest-frame UV photons, these sources are expected to drop out in the bluer filters while being well detected in redder filters. However, here we show that dust-enshrouded star-forming galaxies at lower redshifts (z<7) may also mimic the near-infrared (near-IR) colors of z>10 LBGs, representing potential contaminants in LBG candidate samples. First, we analyze CEERS-DSFG-1, a NIRCam dropout undetected in the F115W and F150W filters but detected at longer wavelengths. Combining the JWST data with (sub)millimeter constraints, including deep NOEMA interferometric observations, we show that this source is a dusty star-forming galaxy (DSFG) at z~5.1. We also present a tentative 2.6sigma SCUBA-2 detection at 850um around a recently identified z~16 LBG candidate in the same field and show that, if the emission is real and associated with this candidate, the available photometry is consistent with a z~5 dusty galaxy with strong nebular emission lines despite its blue near-IR colors. Further observations on this candidate are imperative to mitigate the low confidence of this tentative submillimeter emission and its positional uncertainty. Our analysis shows that robust (sub)millimeter detections of NIRCam dropout galaxies likely imply z=4-6 redshift solutions, where the observed near-IR break would be the result of a strong rest-frame optical Balmer break combined with high dust attenuation and strong nebular line emission, rather than the rest-frame UV Lyman break. This provides evidence that DSFGs may contaminate searches for ultra high-redshift LBG candidates from JWST observations.

研究动机与目标

• 调查尘埃富集星暴星系是否可能在詹姆斯·韦伯空间望远镜CEERS数据中被误认为极高红移星系。
• 评估基于z > 10处亚毫米波检测推断出的极端星形成速率与尘埃质量的合理性。
• 评估宇宙学质量函数约束是否排除此类高红移解释。
• 提供一种利用毫米/亚毫米波数据识别高红移星系候选样本中低红移混淆源的方法。

提出的方法

• 使用NIRCam与SCUB2提供的多波段测光数据，对CEERS-93316与CEERS-DSFG-1进行SED拟合。
• 通过变化的尘埃温度（T_d = 25–35 K）和红移相关的宇宙微波背景（CMB）加热效应，建模尘埃辐射。
• 将推断出的尘埃质量与Harrison & Hotchkiss（2013）的晕质量函数推导出的最大晕质量限制进行比较，考虑ISM-to-dust质量比（1/20与1/100）。
• 在质量-红移平面中计算1σ、2σ与3σ的排除曲线，以评估宇宙学一致性。
• 基于da Cunha et al.（2013）的CMB加热修正，建模高红移处的尘埃辐射。
• 通过系统性测光比较，评估本研究与Donnan et al.（2022）之间通量密度差异的原因。

实验结果

研究问题

• RQ1 在詹姆斯·韦伯空间望远镜CEERS中，z ≈ 6–8的尘埃富集星暴星系是否能产生与z > 10星系无法区分的测光特征？
• RQ2 在高红移处，ΛCDM宇宙学在CEERS观测体积内允许的最大尘埃质量是多少？
• RQ3 在z > 10处，约1 mJy的亚毫米波检测是否意味着星形成速率与观测到的高红移星系不一致？
• RQ4 CMB加热效应如何影响高红移处尘埃辐射的可探测性与对比度？
• RQ5 毫米/亚毫米波观测能否有效识别高红移星系候选样本中的低红移混淆源？

主要发现

• 在z > 10处，约1 mJy的亚毫米波通量密度意味着星形成速率超过100 M☉/yr，这与观测到的z > 8星系不一致。
• 在z ≈ 15时，所需的星形成速率高达约1,000 M☉/yr，比所有已知高红移源高出两个数量级。
• 对于z > 10处1 mJy源，推断出的尘埃质量即使在考虑保守的ISM-to-dust质量比下，也超过了ΛCDM宇宙学在CEERS体积内允许的最大质量。
• 当假设T_d = 35 K时，CEERS场中尘埃质量的1σ排除曲线在1σ水平上排除了CEERS-DSFG-1与CEERS-93316的z > 10解。
• 即使尘埃温度更高（例如50 K），在z > 12处所需的尘埃质量仍超过宇宙学限制，使得此类高红移解释极不可能。
• 本研究使用的测光系统性地比Donnan et al.（2022）亮约0.09 mag，可能源于数据处理与定标差异。