[论文解读] The ALPINE-ALMA [CII] survey

Yoshinobu Fudamoto, Pascal A. Oesch+35 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 92被引用 10

一句话总结

本研究利用ALMA [CII]和远红外连续谱数据，分析了红移z ∼4.4–5.8的118个主序星形成星系的尘埃消光特性。研究发现，IRX–β关系更陡峭，且遮蔽星形成分数低于z < 4时的水平，表明在宇宙再电离时期尘埃性质快速演化，即使在z ∼5–6的大质量星系中，遮蔽星形成比例也达到约45%，尽管相比更高红移时已显著下降。

ABSTRACT

We present dust attenuation properties of spectroscopically confirmed star forming galaxies on the main sequence at a redshift of ~4.4-5.8. Our analyses are based on the far infrared continuum observations of 118 galaxies at rest-frame 158μm obtained with the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) Large Program to INvestigate [CII] at Early times (ALPINE). We study the connection between the ultraviolet (UV) spectral slope ($β$), stellar mass (M_*), and infrared excess (IRX=L_IR/L_UV). Twenty-three galaxies are individually detected in the continuum at &gt;3.5 sigma significance. We perform a stacking analysis using both detections and nondetections to study the average dust attenuation properties at z~4.4-5.8. The individual detections and stacks show that the IRX-$β$ relation at z~5 is consistent with a steeper dust attenuation curve than typically found at lower redshifts (z&lt;4). The attenuation curve is similar to or even steeper than that of the extinction curve of the Small Magellanic Cloud (SMC). This systematic change of the IRX-$β$ relation as a function of redshift suggests an evolution of dust attenuation properties at z&gt;4. Similarly, we find that our galaxies have lower IRX values, up to 1dex on average, at a fixed mass compared to previously studied IRX-M_* relations at z&lt;4, albeit with significant scatter. This implies a lower obscured fraction of star formation than at lower redshifts. Our results suggest that dust properties of UV-selected star forming galaxies at z&gt;4 are characterised by (i) a steeper attenuation curve than at z&lt;4, and (ii) a rapidly decreasing dust obscured fraction of star formation as a function of redshift. Nevertheless, even among this UV-selected sample, massive galaxies (log M_*/$M_\odot$&gt;10) at z~5-6 already exhibit an obscured fraction of star formation of ~45%, indicating a rapid build-up of dust during the epoch of reionization.

研究动机与目标

• 利用远红外连续谱数据测量红移z ∼4.4–5.8的高红移星形成星系的尘埃消光特性。
• 研究在z ≲4以外的IRX–β和IRX–M⋆关系演化情况，这些关系在z ≲4时已有充分确立。
• 量化红移z ≳5时UV选星系的遮蔽星形成比例，以解决SFR密度估计中的不确定性。
• 评估标准尘埃校正方法（如M99关系）在z > 4时的可靠性，因为这些方法可能使IR光度高估达1 dex。

提出的方法

• 利用ALMA大型项目数据，对118个光谱确认的红移z ∼4.4–5.8的星形成星系获取了158 µm rest-frame尘埃连续谱测量结果。
• 对已检测和未检测源分别进行单个源检测与堆叠分析，以推导平均尘埃消光特性。
• 利用紫外谱指数（β）和恒星质量（M⋆）构建IRX–β和IRX–M⋆关系，其中IRX定义为LIR/LUV。
• 拟合紫外消光曲线斜率，与本地模板（如M99、SMC）进行比较，以评估尘埃几何结构和颗粒特性。
• 计算遮蔽星形成比例（fobs）为fobs = LIR/(LIR + LUV)，并与低红移关系进行比较。
• 使用Chabrier初始质量函数及宇宙学参数（Ωm=0.3, ΩΛ=0.7, h=0.7）以确保测光和SED建模的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 z ∼4.4–5.8时的IRX–β和IRX–M⋆关系与z < 4时相比如何？
• RQ2 在z ∼5–6时，大质量UV选星系的星形成遮蔽比例是多少？其随红移如何演化？
• RQ3 标准M99尘埃消光律是否适用于高红移星系？是否需要更陡的曲线？
• RQ4 现有尘埃校正方法在z > 4星系中高估IR光度和SFR的程度如何？
• RQ5 观测到的尘埃演化对z ≳5时主导尘埃生成机制有何启示？

主要发现

• 在z ∼5时，IRX–β关系显著比M99关系更陡，对于βUV > −1.5的源，平均IRX值低0.5 dex，表明尘埃消光曲线更陡峭。
• 消光曲线与或比小麦哲伦云（SMC）消光曲线更陡，暗示z ≳5时尘埃颗粒特性存在差异。
• 在z ∼5.5时，IRX–M⋆关系位于所有此前z ≲3关系之下，对大质量星系（log M⋆/M⊙ > 10）的IR光度高估约1 dex。
• 在大质量星系（M⋆ ∼1–3×10¹⁰ M⊙）中，遮蔽星形成比例从z ∼4.5时的∼65%下降至z ∼5.5时的∼45%，表明演化迅速。
• 即使在UV选星系中，z ∼5–6的大质量星系仍表现出约45%的显著遮蔽星形成比例，表明再电离期间尘埃快速积累。
• 在z > 4时，标准尘埃校正方法（基于z < 4校准）对红色、大质量星系的IR光度和SFR高估达1 dex，需重新校准。