[论文解读] GOODS-ALMA 2.0: Source catalog, number counts, and prevailing compact sizes in 1.1 mm galaxies

Carlos Gómez-Guijarro, D. Elbaz+37 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 179被引用 85

一句话总结

本研究提出 GOODS-ALMA 2.0，一项在 GOODS-South区域对72.42平方角分进行的深度、连续1.1 mm巡天，结合高分辨率与低分辨率ALMA数据，实现均匀的灵敏度（σ = 68.4 µJy beam⁻¹）。该巡天探测到88个星系，揭示尘埃连续谱发射主要呈紧凑形态（中位半径Re = 0″.10 ± 0″.05，即0.73 ± 0.29 kpc），即使在亚-mJy流量水平下，紧凑性依然占主导，挑战了关于暗淡源中存在扩展发射的传统假设。

ABSTRACT

Submillimeter/millimeter observations of dusty star-forming galaxies with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) have shown that dust continuum emission generally occurs in compact regions smaller than the stellar distribution. However, it remains to be understood how systematic these findings are. Studies often lack homogeneity in the sample selection, target discontinuous areas with inhomogeneous sensitivities, and suffer from modest $uv$ coverage coming from single array configurations. GOODS-ALMA is a 1.1mm galaxy survey over a continuous area of 72.42arcmin$^2$ at a homogeneous sensitivity. In this version 2.0, we present a new low resolution dataset and its combination with the previous high resolution dataset from the survey, improving the $uv$ coverage and sensitivity reaching an average of $\sigma = 68.4\mu$Jy beam$^{-1}$. A total of 88 galaxies are detected in a blind search (compared to 35 in the high resolution dataset alone), 50% at $S/N_{peak} \geq 5$ and 50% at $3.5 \leq S/N_{peak} \leq 5$ aided by priors. Among them, 13 out of the 88 are optically dark or faint sources ($H$- or $K$-band dropouts). The sample dust continuum sizes at 1.1mm are generally compact, with a median effective radius of $R_{e} = 0"10 \pm 0"05$ (a physical size of $R_{e} = 0.73 \pm 0.29$kpc at the redshift of each source). Dust continuum sizes evolve with redshift and stellar mass resembling the trends of the stellar sizes measured at optical wavelengths, albeit a lower normalization compared to those of late-type galaxies. We conclude that for sources with flux densities $S_{1.1mm} > 1$mJy, compact dust continuum emission at 1.1mm prevails, and sizes as extended as typical star-forming stellar disks are rare. The $S_{1.1mm} < 1$mJy sources appear slightly more extended at 1.1mm, although they are still generally compact below the sizes of typical star-forming stellar disks.

研究动机与目标

• 通过使用兼具双阵列配置的连续、均匀的测考古区域，克服ALMA对尘埃遮蔽星系（DSFGs）研究中的观测偏差。
• 通过结合高分辨率与低分辨率数据，改善uv覆盖和灵敏度，解决尘埃连续谱尺寸测量中的系统性不确定性。
• 调查在广泛流量密度范围内（特别是低于1 mJy时）紧凑尘埃发射是否为DSFGs的普遍特性。
• 识别并表征此前巡天中遗漏的光学暗淡或暗弱源（H-或K波段dropout源）。
• 推导稳健的源数密度与尺寸分布，以检验DSFGs中紧凑与扩展尘埃发射的普遍性。

提出的方法

• 在72.42平方角分的连续区域中，利用1.1 mm波段的高分辨率（紧凑阵列）与低分辨率（扩展阵列）ALMA数据组合，进行盲源探测。
• 采用基于先验的源寻找方法，以恢复信噪比峰值在3.5至5之间的暗弱源，提升低流量端的探测完整性。
• 使用多尺度高斯分解技术对组合数据集进行流量与尺寸测量，以建模尘埃连续谱发射。
• 利用蒙特卡洛模拟评估源的探测完整性与流量可靠性，特别是在亚-mJy区域。
• 通过结合高、低分辨率数据集的结果，推导微分与累积源数密度，校正灵敏度与波束效应。
• 测量尘埃连续谱有效半径（Re），并研究其随红移与恒星质量的演化，与光学恒星尺寸进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同流量密度下，1.1 mm波段的紧凑尘埃连续谱发射是否为尘埃遮蔽星系的系统性特征？
• RQ2 DSFGs的尘埃连续谱尺寸分布与恒星组分尺寸相比如何？这种关系是否依赖于红移或恒星质量？
• RQ3 低分辨率数据在多大程度上能恢复高分辨率仅观测所遗漏的更暗、可能更扩展的源？
• RQ4 ALMA探测到的源中，有多少比例为光学暗淡或暗弱（H-或K波段dropout），其尘埃尺寸与更明亮源相比如何？
• RQ5 本巡天中1.1 mm源的源数密度与现有文献相比如何？这暗示了以往巡天的完整性如何？

主要发现

• 在盲搜寻中共探测到88个星系，其中44个源的信噪比峰值S/Npeak ≥5（纯度100%），另有44个源通过基于先验的方法在3.5 ≤ S/Npeak ≤ 5范围内探测到。
• 探测到的源中有13个为光学暗淡或暗弱（H-或K波段dropout），其中7个为本研究首次识别。
• 1.1 mm波段尘埃连续谱有效半径的中位数为Re = 0″.10 ± 0″.05，对应物理尺寸为0.73 ± 0.29 kpc，表明发射主要呈紧凑形态。
• 尘埃连续谱尺寸随红移与恒星质量的演化趋势与光学恒星尺寸相似，但归一化值低于旋涡星系。
• 对于S₁.₁ₘₘ > 1 mJy的源，紧凑尘埃发射为常态，其尺寸达到典型星系恒星盘大小的情况极为罕见。
• 对于S₁.₁ₘₘ < 1 mJy的源，平均而言略显扩展，但仍总体紧凑（低于典型恒星盘尺寸），且存在较大离散度，可能暗示存在扩展发射，但需更深度数据确认。