[论文解读] Extensive Lensing Survey of Optical and Near-Infrared Dark Objects (El Sonido): HST H-Faint Galaxies behind 101 Lensing Clusters

Fengwu Sun, Eiichi Egami+23 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 159被引用 26

一句话总结

本研究利用斯皮策/IRAC和哈勃空间望远镜的数据，开展了光学与近红外暗弱天体的广域强引力透镜巡天（El Sonido），在101个强引力透镜星系团后方识别出53个H波段极暗（H160 ≳26.4 AB星等）的星系。关键结果表明，这些H波段极暗星系是红移z ≈ 3.9处的高密度、高尘埃含量、正在形成恒星的星系，具有紧凑的结构（Re,circ ≈ 1.9 kpc），代表了高红移大质量星系族群的尘埃遮蔽尾部，并对z ∼ 3–5期间的宇宙恒星形成率密度有显著贡献。

ABSTRACT

We present a Spitzer/IRAC survey of H-faint ($H_{160} \gtrsim 26.4$, $<5\sigma$) sources in 101 lensing cluster fields. Across a CANDELS/Wide-like survey area of $\sim$648 arcmin$^2$ (effectively $\sim$221 arcmin$^2$ in the source plane), we have securely discovered 53 sources in the IRAC Channel-2 band (CH2, 4.5 $\mathrm{\mu m}$; median CH2$=22.46\pm0.11$ AB mag) that lack robust HST/WFC3-IR F160W counterparts. The most remarkable source in our sample, namely ES-009 in the field of Abell 2813, is the brightest H-faint galaxy at 4.5 $\mathrm{\mu m}$ known so far ($\mathrm{CH2}=20.48\pm0.03$ AB mag). We show that the H-faint sources in our sample are massive (median $M_\mathrm{star} = 10^{10.3\pm 0.3}$ $M_\odot$), star-forming (median star formation rate $=100_{-40}^{+60}$ $M_\odot$yr$^{-1}$) and dust-obscured ($A_V=2.6\pm0.3$) galaxies around a median photometric redshift of $z=3.9\pm0.4$. The stellar continua of 14 H-faint galaxies can be resolved in the CH2 band, suggesting a median circularized effective radius ($R_\mathrm{e,circ}$; lensing corrected) of $1.9\pm0.2$ kpc and $<1.5$ kpc for the resolved and whole samples, respectively. This is consistent with the sizes of massive unobscured galaxies at $z\sim4$, indicating that H-faint galaxies represent the dusty tail of the distribution of a wider galaxy population. Comparing with the ALMA dust continuum sizes of similar galaxies reported previously, we conclude that the heavy dust obscuration in H-faint galaxies is related to the compactness of both stellar and dust continua ($R_\mathrm{e,circ}\sim 1$ kpc). These H-faint galaxies make up $16_{-7}^{+13}$% of the galaxies in the stellar mass range of $10^{10}-10^{11.2}$ $M_\odot$ at $z=3\sim5$, contributing to $8_{-4}^{+8}$% of the cosmic star formation rate density in this epoch and likely tracing the early phase of massive galaxy formation.

研究动机与目标

• 本研究旨在识别并表征在光学巡天中因被尘埃严重遮蔽而无法探测到的极端暗淡、近红外暗弱星系。
• 旨在理解这些H波段极暗星系的物理特性，包括其恒星质量、恒星形成速率、尘埃含量和尺寸。
• 研究尘埃遮蔽与紧凑结构在塑造高红移星系观测特性中的作用。
• 量化这些H波段极暗星系对z ≈ 3–5期间总宇宙恒星形成率密度的贡献。

提出的方法

• 本研究利用斯皮策/IRAC在4.5 µm（CH2）波段的深度观测，探测在哈勃/WFC3-IR F160W波段（H160 ≳26.4 AB星等）极暗但可在IRAC中探测到的源，识别出在光学/NIR波段无对应体的H波段极暗星系。
• 101个大质量星系团的强引力透镜效应放大了背景源，使得原本无法探测到的极暗星系得以被发现。
• 通过光谱能量分布（SED）拟合，应用光谱红移估计与星族合成模型，估算红移、恒星质量、恒星形成速率和尘埃消光（AV）。
• 利用GALFIT在IRAC CH2波段图像上测量恒星与尘埃连续成分的尺寸，结合引力透镜放大效应校正，获得其本征有效半径（Re,circ）。
• 将H波段极暗星系的尺寸与ALMA探测到的亚毫米波星系进行比较，评估其结构相似性与物理关联性。
• 通过统计分析估算质量范围为10^10–10^11.2 M⊙的星系在z ≈ 3–5期间的占比及其对宇宙恒星形成率密度的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在哈勃F160W波段未被探测到但在斯皮策/IRAC CH2波段被探测到的H波段极暗星系，其本征物理本质是什么？
• RQ2 H波段极暗星系的恒星质量、恒星形成速率、尘埃消光与未被遮蔽的高红移星系相比如何？
• RQ3 H波段极暗星系在多大程度上代表了z ≈ 4时大质量星系形成过程中的尘埃遮蔽、紧凑阶段？
• RQ4 H波段极暗星系对z ≈ 3–5期间总宇宙恒星形成率密度的贡献是多少？
• RQ5 H波段极暗星系的紧凑尺寸是否与高尘埃遮蔽和高恒星形成速率相关？

主要发现

• 样本中H波段极暗星系的质量较大，中位恒星质量为10^10.3±0.3 M⊙。
• 它们处于活跃恒星形成状态，中位恒星形成速率为100+60−40 M⊙ yr−1。
• 这些星系被严重尘埃遮蔽，中位AV为2.6±0.3，表明其休息框架紫外-光学光度受到显著衰减。
• 14个被解析的H波段极暗星系的中位圆形化有效半径（Re,circ）为1.9 ± 0.2 kpc，全样本平均小于1.5 kpc，表明其具有紧凑结构。
• 这些H波段极暗星系占z ≈ 3–5期间恒星质量范围为10^10–10^11.2 M⊙的星系的16+13−7%。
• 它们对z ≈ 3–5期间宇宙恒星形成率密度的贡献为8+8−4%，表明在早期大质量星系形成中起着关键作用。