[论文解读] The ALMA-CRISTAL survey: Widespread dust-obscured star formation in typical star-forming galaxies at z=4-6

Ikki Mitsuhashi, Ken-ichi Tadaki+30 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 4

一句话总结

本研究利用CRISTAL巡天的ALMA观测，调查了红移z=4–6典型星系中尘埃遮蔽的恒星形成情况。研究发现，星系盘面内普遍存在中等程度遮蔽的恒星形成，尘埃发射尺寸约为1.5 kpc（是紫外尺寸的两倍），红外表面亮度密度比紧凑的尘埃星暴星系低一个数量级，表明为平静、遍布星系盘的恒星形成，而非集中爆发。

ABSTRACT

We present the morphological parameters and global properties of dust-obscured star formation in typical star-forming galaxies at z=4-6. Among 26 galaxies composed of 20 galaxies observed by the Cycle-8 ALMA Large Program, CRISTAL, and six galaxies from archival data, we have individually detected rest-frame 158$μ$m dust continuum emission from 19 galaxies, nine of which are reported for the first time. The derived far-infrared luminosities are in the range $\log_{10} L_{ m IR}\,[L_{\odot}]=$10.9-12.4, an order of magnitude lower than previously detected massive dusty star-forming galaxies (DSFGs). The average relationship between the fraction of dust-obscured star formation ($f_{ m obs}$) and the stellar mass is consistent with previous results at z=4-6 in a mass range of $\log_{10} M_{\ast}\,[M_{\odot}]\sim$9.5-11.0 and show potential evolution from z=6-9. The individual $f_{ m obs}$ exhibits a significant diversity, and it shows a correlation with the spatial offset between the dust and the UV continuum, suggesting the inhomogeneous dust reddening may cause the source-to-source scatter in $f_{ m obs}$. The effective radii of the dust emission are on average $\sim$1.5 kpc and are $\sim2$ times more extended than the rest-frame UV. The infrared surface densities of these galaxies ($Σ_{ m IR}\sim2.0 imes10^{10}\,L_{\odot}\,{ m kpc}^{-2}$) are one order of magnitude lower than those of DSFGs that host compact central starbursts. On the basis of the comparable contribution of dust-obscured and dust-unobscured star formation along with their similar spatial extent, we suggest that typical star-forming galaxies at z=4-6 form stars throughout the entirety of their disks.

研究动机与目标

• 表征z=4–6典型星形成星系中尘埃遮蔽恒星形成的形态及整体性质。
• 确定高红移星系中尘埃发射相对于紫外连续谱的空间范围和表面亮度密度。
• 评估尘埃消光在塑造观测到的遮蔽恒星形成分数（f_obs）多样性中的作用。
• 将典型星形成星系的恒星形成性质与极端尘埃星暴星系（DSFGs）进行比较。

提出的方法

• 对20个红移z=4–6星系进行了ALMA周期8深度观测，并补充了6个星系的档案数据。
• 通过UVMultifit在可见度平面上拟合，测量了158 μm的Rest-frame尘埃连续谱发射，以推导远红外光度和尘埃发射尺寸。
• 将尘埃发射尺寸与哈勃空间望远镜/F160W成像获得的Rest-frame紫外尺寸进行比较，以评估空间偏移和结构差异。
• 对信噪比较低的源进行堆叠分析，以验证单个尺寸测量的可靠性并评估系统性偏差。
• 采用Sérsic轮廓拟合，固定n=1和自由n，以测试紫外尺寸估计对结构假设的敏感性。
• 量化遮蔽恒星形成分数（f_obs），并将其与紫外与尘埃组分之间的空间偏移相关联。

Figure 1: SFR vs stellar mass with $z=5$ main-sequence parameterization (Speagle et al., 2014 ) and comparison $z=4$ –6 galaxies in the COSMOS catalog (Laigle et al., 2016 ) . Pink squares are primary targets of the CRISTAL program and blue squares are serendipitously detected galaxies and additiona

实验结果

研究问题

• RQ1 在z=4–6典型星形成星系中，尘埃发射的空间范围和形态如何？
• RQ2 遮蔽恒星形成分数（f_obs）与星族质量及紫外与尘埃组分之间空间偏移的相关性如何？
• RQ3 这些典型星系的红外表面亮度密度与紧凑的、高红移尘埃星暴星系（DSFGs）相比如何？
• RQ4 非均匀的尘埃分布在多大程度上解释了单个星系中f_obs观测值的离散性？
• RQ5 这些星系中的恒星形成是集中于紧凑区域，还是分布在扩展的星系盘上？

主要发现

• 在26个星系中的19个检测到了Rest-frame 158 μm尘埃连续谱发射，包括9个新发现，远红外光度范围为log₁₀(L_IR/L☉) = 10.9至12.4。
• 尘埃发射有效半径的平均值约为1.5 kpc，约为紫外发射尺寸的两倍，表明尘埃和恒星形成分布更广泛。
• 红外表面亮度密度（Σ_IR ~ 2.0 × 10¹⁰ L☉ kpc⁻²）比紧凑的高红移DSFGs低一个数量级。
• 遮蔽恒星形成分数（f_obs）与紫外和尘埃组分之间空间偏移存在相关性，表明非均匀尘埃消光是导致观测到的f_obs离散性的驱动因素。
• 尘埃和紫外发射具有相近的空间范围，表明恒星形成广泛分布于星系盘中，而非局限于紧凑的中心区域。
• 堆叠分析证实，单个尺寸测量可靠，堆叠尺寸（0.209″ ± 0.061″）在1σ不确定度内与单个尺寸平均值（0.237″）一致。

Figure 2: Thumbnails of the dust detected CRISTAL galaxies. The background images are HST /F160W images. The natural-weighted and natural-weighted+ $0.5^{\prime\prime}$ -Tapered rest-frame 158 $\mu{\rm m}$ dust continuums are also shown in red and blue contours, respectively. An average beam size of