[论文解读] Significant Dust-Obscured Star Formation in Luminous Lyman-break Galaxies at $z$$\sim$$7$$-$$8$

Sander Schouws, Mauro Stefanon+14 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2021

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 2被引用 5

一句话总结

本研究利用ALMA对15个红移$z\sim7$--8的明亮莱曼断裂星系进行连续谱观测，探测尘埃遮蔽的恒星形成，发现六个显著的尘埃检测，其遮蔽的恒星形成率（SFR）为20--105 $M_\odot$ yr$^{-1}$。结果表明，这些高红移星系中高达三分之一的恒星形成被尘埃遮蔽，挑战了以往仅基于紫外光的估算，并表明自$z\sim0$以来，IRX--$\beta_{\rm UV}$关系几乎没有演化。

ABSTRACT

We make use of ALMA continuum observations of $15$ luminous Lyman-break galaxies at $z$$\sim$$7$$-$$8$ to probe their dust-obscured star-formation. These observations are sensitive enough to probe to obscured SFRs of $20$ $M_{\odot}$$/$$yr$ ($3σ$). Six of the targeted galaxies show significant ($\geq$$3$$σ$) dust continuum detections, more than doubling the number of known dust-detected galaxies at $z$$>$$6.5$. Their IR luminosities range from $2.7$$ imes$$10^{11}$ $L_{\odot}$ to $1.1$$ imes$$10^{12}$ $L_{\odot}$, equivalent to obscured SFRs of $20$ to $105$ $M_{\odot}$$/$$yr$. We use our results to quantify the correlation of the infrared excess IRX on the UV-continuum slope $β_{UV}$ and stellar mass. Our results are most consistent with an SMC attenuation curve for intrinsic $UV$-slopes $β_{UV,intr}$ of $-2.63$ and most consistent with an attenuation curve in-between SMC and Calzetti for $β_{UV,intr}$ slopes of $-2.23$, assuming a dust temperature $T_d$ of $50$ K. Our fiducial IRX-stellar mass results at $z$$\sim$$7$$-$$8$ are consistent with marginal evolution from $z$$\sim$$0$. We then show how both results depend on $T_d$. For our six dust-detected sources, we estimate their dust masses and find that they are consistent with dust production from SNe if the dust destruction is low ($

研究动机与目标

• 理解在再电离时期关键阶段的最明亮星系中，尘埃遮蔽恒星形成的作用。
• 解决仅依赖紫外测量的恒星形成率（SFR）密度估算中的不确定性，这些估算可能遗漏了显著的遮蔽成分。
• 量化尘埃遮蔽SFR对$z\sim7$--8星系总SFR密度的贡献，特别是对紫外明亮系统（$M_{UV} < -21.5$）的贡献。
• 利用ALMA连续谱检测和SED建模，约束高红移星系中的尘埃消光曲线和尘埃质量。
• 通过将观测到的尘埃质量与超新星（SN）尘埃生成模型进行比较，评估这些早期星系中尘埃的起源。

提出的方法

• 在1.2毫米波段进行深度ALMA连续谱观测，以探测15个红移$z\sim7$--8的明亮莱曼断裂星系中的尘埃发射，灵敏度足以在3$\sigma$水平上检测到20 $M_\odot$ yr$^{-1}$的遮蔽SFR。
• 通过SED拟合推导出内在紫外谱指数（$\beta_{\rm UV,intr}$）和恒星质量，结合紫外和FIR数据估算红外光度和IRX（$L_{\rm IR}/L_{\rm UV}$）。
• 使用尘埃消光曲线（SMC和Calzetti）和变化的尘埃温度（$T_d$）对IRX--$\beta_{\rm UV}$关系进行建模，以找到最佳拟合模型。
• 假设为修正的黑体SED，通过观测到的FIR流量估算尘埃质量，$T_d$在30 K至60 K之间变化。
• 通过纳入观测到的尘埃检测结果，计算对基于紫外的SFR密度估算的修正因子。
• 利用推导出的尘埃质量，检验低破坏率（$<90\%$）的超新星驱动尘埃生成是否能解释观测到的尘埃含量。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过ALMA连续谱检测，最明亮的$z\sim7$--8星系中尘埃遮蔽恒星形成的水平如何？
• RQ2 与本地关系相比，$z\sim7$--8的IRX--$\beta_{\rm UV}$关系如何？这对尘埃消光曲线意味着什么？
• RQ3 对于$M_{UV} < -21.5$的$z\sim7$--8星系，尘埃遮蔽恒星形成对总恒星形成率密度的贡献是多少？
• RQ4 观测到的$z\sim7$--8星系中的尘埃质量与超新星尘埃生成模型的预测相比如何？
• RQ5 对于$ L_{\rm IR} > 10^{11}$--$10^{12}$ $L_\odot$的$z\sim7$--8星系，红外光度函数的下限是多少？

主要发现

• 在15个目标$z\sim7$--8星系中，有六个显示出显著（≥3$\sigma$）的尘埃连续谱检测，使已知$z>6.5$星系中尘埃检测的数量翻倍以上。
• 观测到的红外光度范围为$2.7\times10^{11}$至$1.1\times10^{12}$ $L_\odot$，对应遮蔽SFR为20至105 $M_\odot$ yr$^{-1}$。
• 在$z\sim7$--8时，IRX--$\beta_{\rm UV}$关系的最佳拟合为SMC类消光曲线（$\beta_{\rm UV,intr} = -2.63$），而对于$\beta_{\rm UV,intr} = -2.23$，则为介于SMC与Calzetti之间的曲线。
• 在$z\sim7$--8时，IRX--星族质量关系与$z\sim0$时相比无显著演化，表明在大质量星系中尘埃与恒星形成的关系稳定。
• 对基于紫外的SFR密度估算的修正因子在$z\sim7$时为1.5$^{+0.3}_{-0.3}$（0.18$^{+0.08}_{-0.10}$ dex），在$z\sim8$时为1.6$^{+0.2}_{-0.3}$（0.20$^{+0.05}_{-0.09}$ dex），表明约有1/3的恒星形成被遮蔽。
• 尘埃质量范围为$\sim10^7$至$10^8$ $M_\odot$，若尘埃破坏率较低（$<90\%$），则与超新星生成的尘埃一致，支持超新星是早期星系中主要尘埃来源。