[论文解读] Taking Census of Massive, Star-Forming Galaxies formed <1 Gyr After the Big Bang

Caitlin M. Casey, P. Capak+25 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2019

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 2

一句话总结

本白皮书倡导利用下一代仪器开展大规模、广域的毫米波巡天，以精确普查红移 z > 3 的大质量、尘埃遮蔽星系（DSFGs），尤其是在大爆炸后首个十亿年内。它指出，深度窄波束巡天因这些稀有、高度遮蔽系统的表面密度低且在毫米波段具有强烈的负K校正，无法有效探测此类系统，因此必须依赖高灵敏度的广域亚毫米波巡天，以解析早期宇宙的恒星形成历史与星系形成过程。

ABSTRACT

Two decades of effort have been poured into both single-dish and interferometric millimeter-wave surveys of the sky to infer the volume density of dusty star-forming galaxies (DSFGs, with SFR>100M$_\odot$ yr$^{-1}$) over cosmic time. Though obscured galaxies dominate cosmic star-formation near its peak at $z\sim2$, the contribution of such heavily obscured galaxies to cosmic star-formation is unknown beyond $z\sim2.5$ in contrast to the well-studied population of Lyman-break galaxies (LBGs) studied through deep, space- and ground-based pencil beam surveys in the near-infrared. Unlocking the volume density of DSFGs beyond $z>3$, particularly within the first 1 Gyr after the Big Bang is critical to resolving key open questions about early Universe galaxy formation: (1) What is the integrated star-formation rate density of the Universe in the first few Gyr and how is it distributed among low-mass galaxies (e.g. Lyman-break galaxies) and high-mass galaxies (e.g. DSFGs and quasar host galaxies)? (2) How and where do the first massive galaxies assemble? (3) What can the most extreme DSFGs teach us about the mechanisms of dust production (e.g. supernovae, AGB stars, grain growth in the ISM) <1 Gyr after the Big Bang? We summarize the types of observations needed in the next decade to address these questions.

研究动机与目标

• 解决在红移 z > 2.5 时尘埃遮蔽星系（DSFGs）的体积密度缺乏约束的问题，特别是在大爆炸后首个十亿年内。
• 克服深度窄波束巡天的局限性，这些巡天对稀有、大质量、尘埃遮蔽星系的探测效果不佳，原因在于其表面密度低且在毫米波段具有强烈的负K校正。
• 通过结合广域映射与多波段毫米波观测，实现对高红移DSFGs的准确红移测定与源特征表征。
• 解析大质量、遮蔽星系在 z ~ 2–3 星系形成高峰期对宇宙恒星形成率密度（SFRD）的贡献。
• 通过识别并研究 z > 3 时最极端的DSFGs，推进对尘埃产生机制与早期大质量星系形成过程的理解。

提出的方法

• 使用具有宽波束的大口径单镜望远镜（如LMT、JCMT和IRAM 30米望远镜）在1.4 mm至2 mm波段开展广域（≥1–10 deg²）亚毫米波巡天。
• 利用GISMO（2 mm）、NIKA-2（1 mm和2 mm）、TolTEC（1 mm、1.4 mm、2 mm）和SPT 3G（2–3 mm）等多波段连续谱仪器，通过颜色选择分离高红移DSFGs与低红移污染源。
• 利用ALMA的高灵敏度与角分辨率，在窄场区域进行深度、盲扫连续谱拼接，以探测DSFG光度函数的暗端，并检验不同数量密度演化模型。
• 对源数密度与红移分布进行正向建模，量化区分高红移SFRD竞争模型所需的深度与面积。
• 利用（亚）毫米波段的负K校正特性，通过在较长波长（如2 mm）观测，实现对高红移DSFGs的一日选择，此时仅最遥远的源仍保持明亮。
• 整合从近红外到远红外的多波段后续观测，以确认红移并测量候选DSFGs的物理属性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移 z > 3 时，大质量、尘埃遮蔽星系（DSFGs）的体积密度是多少，特别是在大爆炸后首个十亿年内？
• RQ2 在宇宙历史的最初几十亿年中，DSFGs的恒星形成率密度（SFRD）与莱曼断裂星系（LBGs）及其他低质量系统相比如何？
• RQ3 在 z > 3 时最极端的DSFGs中，驱动尘埃产生的机制是什么？它们与低红移系统中的机制有何不同？
• RQ4 在 z > 3 时，DSFGs的物理属性（如恒星质量、气体含量与并合历史）如何演化？它们揭示了早期大质量星系形成过程的哪些信息？
• RQ5 多波段亚毫米波巡天（如1.4 mm、2 mm）在利用颜色-红移退化特性方面，能在多大程度上有效隔离高红移DSFGs与低红移污染源？

主要发现

• 由于现有深度窄波束巡天的局限性，z > 2.5 时尘埃遮蔽星系（DSFGs）的体积密度仍无法约束，这些巡天对稀有、大质量、尘埃遮蔽系统无效。
• 为区分高红移SFRD的竞争模型，必须对850 µm选源中超过98%的DSFGs进行红移的光谱确认，凸显了大范围巡天的迫切需求。
• 在（亚）毫米波段的负K校正使 z ~ 10 时的DSFGs亮度与 z ~ 1 时相当，增加了红移估计的复杂性，需依赖多波段观测以打破退化。
• 在2 mm波段的广域巡天对探测足够数量的高红移DSFGs至关重要，因为2 mm的源数密度曲线较陡，浅层映射仅能获得极少源。
• GISMO、NIKA-2、TolTEC与SPT 3G等仪器对实现探测与表征 z > 3 时DSFGs所需的深度与面积至关重要，其中TolTEC与SPT 3G具备高映射速度与广覆盖天空的能力。
• 尽管ALMA视场狭窄，但其通过在窄场区域进行深度、高分辨率连续谱拼接，可在区分 z > 4 时DSFG数量密度的多种竞争模型中发挥关键作用。