[论文解读] Missing Giants: Predictions on Dust-Obscured Galaxy Stellar Mass Assembly Throughout Cosmic Time

Arianna S. Long, Caitlin M. Casey+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 4

一句话总结

本研究利用尘埃遮蔽的星系形成星系（DSFGs）的实测数据，构建数值模型以预测宇宙时空中其恒星质量的累积。研究发现，在 z > 1 时，大质量 DSFGs 贡献了所有 M ≥ 10¹¹ M⊙ 星系形成星系的 50–100%，其宁静后裔可解释观测到的高红移大质量宁静星系的数量密度，表明它们是高红移大质量星系的充分祖先群体。

ABSTRACT

Due to their extremely dust-obscured nature, much uncertainty still exists surrounding the stellar mass growth and content in dusty, star-forming galaxies (DSFGs) at $z>1$. In this work, we present a numerical model built using empirical data on DSFGs to estimate their stellar mass contributions across the first $\sim$10 Gyr of cosmic time. We generate a dust-obscured stellar mass function that extends beyond the mass limit of star-forming stellar mass functions in the literature, and predict that massive DSFGs constitute as much as $50-100\%$ of all star-forming galaxies with M $\ge10^{11}$M$_\odot$ at $z>1$. We predict the number density of massive DSFGs and find general agreement with observations, although more data is needed to narrow wide observational uncertainties. We forward model mock massive DSFGs to their quiescent descendants and find remarkable agreement with observations from the literature demonstrating that, to first order, massive DSFGs are a sufficient ancestral population to describe the prevalence of massive quiescent galaxies at $z>1$. We predict that massive DSFGs and their descendants contribute as much as $25-60\%$ to the cosmic stellar mass density during the peak of cosmic star formation, and predict an intense epoch of population growth during the $\sim1$ Gyr from $z=6$ to 3 during which the majority of the most massive galaxies at high-$z$ grow and then quench. Future studies seeking to understand massive galaxy growth and evolution in the early Universe should strategize synergies with data from the latest observatories (e.g. JWST and ALMA) to better include the heavily dust-obscured galaxy population.

研究动机与目标

• 量化尘埃遮蔽的星系形成星系（DSFGs）在宇宙时空中恒星质量累积中的作用，特别是在 z > 1 时。
• 解决排除高度尘埃消光系统的紫外/光学星系演化模型中的偏差。
• 检验大质量 DSFGs 是否足以解释高红移处观测到的大质量宁静星系的数量密度。
• 估算 DSFGs 及其后裔在恒星形成高峰期对宇宙恒星质量密度的贡献。
• 通过识别詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）与 ALMA 之间关键的协同观测策略，为未来观测提供指导。

提出的方法

• 作者通过将基于紫外/光学的恒星质量函数（SMF）扩展至包含 DSFGs 的实测数据，结合红外光度函数和尘埃消光模型，构建了尘埃遮蔽的恒星质量函数。
• 采用幂律外推方式建模 SMF 的大质量端，超越特征质量，使用保守假设以最小化偏差。
• 模型综合考虑了红外光度函数和光谱能量分布（SED）拟合的不确定性，对 DSFGs 的属性（如恒星形成效率和气体耗尽 timescales）进行边缘化处理。
• 通过演化轨迹正向建模模拟大质量 DSFGs，预测其宁静后裔，并将预测的数量密度与观测到的宁静星系进行比较。
• 模型使用红移依赖的红外光度函数和基于深亚毫米波与远红外巡天校准的尘埃消光方案。
• 通过观测约束验证预测结果，包括 z > 1 时大质量 DSFGs 和宁静星系的数量密度，同时考虑观测深度和选择偏差的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 尘埃遮蔽的星系形成星系（DSFGs）在 z > 1 时对大质量星系恒星质量累积的主导程度如何？
• RQ2 大质量 DSFGs 是否足以单独解释 z > 1 时观测到的大质量宁静星系的数量密度？
• RQ3 DSFGs 及其宁静后裔对 z ~ 2 时宇宙恒星质量密度的贡献比例是多少？
• RQ4 DSFGs 的引入如何弥合总恒星形成率密度与直接测量的恒星质量密度之间的差异？
• RQ5 特别是针对 JWST 和 ALMA，需要何种观测策略以更好地约束 DSFG 群体？

主要发现

• 大质量 DSFGs（M ≥ 10¹¹ M⊙）在 z > 1 时占所有星系形成星系的 50–100%，表明其并非次要群体，而是大质量增长的主要驱动力。
• 模型预测的大质量 DSFGs 数量密度与观测结果总体一致，尽管在 z > 4 时由于恒星质量测量有限，不确定性仍较大。
• 将 DSFGs 正向建模为宁静后裔后，与 z > 1 时观测到的大质量宁静星系数量密度高度一致，支持其作为主要祖先群体的角色。
• DSFGs 及其宁静后裔在 z ~ 2 恒星形成高峰期贡献了 25–60% 的宇宙恒星质量密度，显著缩小了推断质量密度与观测质量密度之间的差距。
• 在 z = 6 至 z = 3 之间，经历了一个持续约 1 Gyr 的剧烈增长与熄灭阶段，期间绝大多数最重的星系形成并转入宁静状态。
• 在尘埃遮蔽 SMF 的大质量端（M ≥ 10¹⁰.⁵ M⊙），绝大多数（>75%）星系具有 LIRG 或 ULIRG 级别的光度（L_IR ≥ 10¹¹ L⊙），其中多数超过 10¹² L⊙。