[论文解读] The ALPINE-ALMA [CII] Survey: The nature, luminosity function and star formation history of dusty galaxies up to z~6

C. Gruppioni, M. Béthermin+31 more|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|Jun 8, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 136被引用 19

一句话总结

本研究利用偶然探测的ALMA [CII]巡天源，首次测量了红移z ≈ 6以内的尘埃遮蔽星系的远红外光度函数和恒星形成率密度（SFRD）。研究发现，从z ≈ 2.5到z ≈ 6，红外光度函数呈平坦形态，演化微弱；且在z ≈ 5时，尘埃遮蔽、光学暗淡星系贡献了约17%的SFRD，这一结果对基于紫外光度的SFR估算及当前星系形成模型提出了挑战。

ABSTRACT

We present the detailed characterisation of a sample of 56 sources serendipitously detected in ALMA band 7, as part of the ALMA Large Program to INvestigate CII at Early Times (ALPINE) in COSMOS and ECDFS. These sources have been used to derive the total infrared luminosity function (LF) and to estimate the cosmic star formation rate density (SFRD) up to z=6. We have looked for counterparts in all the available multi-wavelength and photometric redshift catalogues, and in deeper near- and mid-IR source lists and maps, to identify optically dark sources with no matches in the public catalogues. Our ALMA blind survey allows us to push further the study of the nature and evolution of dusty galaxies at high-z, identifying luminous and massive sources to redshifts and faint luminosities never probed before by any far-infrared surveys. The ALPINE data are the first ones to sample the faint-end of the infrared LF, showing little evolution from z=2.5 to z=6, and a flat slope up to the highest redshifts. The SFRD obtained by integrating the luminosity function remains almost constant between z=2 and 6, and significantly higher than the optical/UV derivations, showing an important contribution of dusty galaxies and obscured star formation up to high-z. About 14 per cent of the ALPINE serendipitous continuum sources are optically+near-IR dark (six show a counterpart only in the mid-IR and no HST or near-IR identification, while two are detected as [CII] emitters at z=5). The six HST and near-IR dark galaxies with mid-IR counterpart contribute for about 17 per cent of the total SFRD at z=5 and dominate the high-mass end of the stellar mass function at z>3.

研究动机与目标

• 利用偶然探测的ALMA连续谱源，表征高红移（z ≈ 6）尘埃遮蔽星系的性质及其演化特征。
• 从z ≈ 0.5到z ≈ 6，推导总红外光度函数（LF）和宇宙恒星形成率密度（SFRD），填补远红外巡天中 faint-end 的空白。
• 量化仅在中红外或[CII]波段探测到的、光学和近红外暗淡星系对高红移总SFRD和星族质量函数的贡献。
• 检验ALPINE结果与现有Herschel和SCUBA-2光度函数的一致性，并评估其与基于紫外光度的SFRD估算之间的差异。
• 评估z > 3时高SFRD和大质量尘埃遮蔽星系对当前星系形成模型和模拟的影响。

提出的方法

• 在COSMOS和ECDFS区域识别出56个偶然探测的ALMA波段7连续谱源，其860 μm流量密度在~0.3–12.5 mJy之间。
• 通过与多波段星表（HST、VLA、UltraVISTA、Spitzer）及深度图像交叉匹配，探测光学暗淡星系。
• 通过SED拟合估算光度红移，并推导出星系在rest-frame 250 μm及总红外（8–1000 μm）波段的光度。
• 利用ALPINE数据，在红移区间z ≈ 0.5至z ≈ 6内，构建rest-frame 250 μm和总红外光度函数（LF）。
• 对红外光度函数积分，计算宇宙恒星形成率密度（SFRD），并与基于紫外光度的估算进行比较。
• 量化HST和近红外暗淡星系（无论是否具有中红外对应体）对总SFRD和星族质量函数的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 从z ≈ 0.5到z ≈ 6，尘埃遮蔽星系的远红外光度函数如何演化？其形态或归一化值是否表现出显著变化？
• RQ2 在z ≈ 5时，光学和近红外暗淡星系对宇宙恒星形成率密度（SFRD）的贡献占比是多少？
• RQ3 ALPINE远红外巡天估算的SFRD与z > 3时基于紫外观测星系估算的SFRD相比如何？
• RQ4 当前星系形成模型在多大程度上能再现z > 3时大质量尘埃遮蔽星系的数量密度和质量函数？
• RQ5 尘埃遮蔽恒星形成在宇宙正午时期（z ≈ 1–3）及更早阶段扮演何种角色？为何紫外巡天会遗漏这些星系？

主要发现

• ALPINE巡天在不显著演化的前提下，采样了红外光度函数的暗端，从z ≈ 2.5到z ≈ 6，其斜率在整个红移范围内保持平坦。
• 从z ≈ 0.5到z ≈ 6，总红外光度函数的归一化值和形态几乎保持不变，高光度端无下降趋势，表明尘埃遮蔽恒星形成活动持续存在。
• 基于ALPINE红外光度函数推导出的宇宙恒星形成率密度（SFRD）在z ≈ 2至z ≈ 6间近乎平坦，显著高于基于紫外光度的估算，尤其在z ≈ 6时二者相差约一个数量级。
• 约14%的ALPINE偶然源为光学和近红外暗淡源（Ks ~24.9 mag），其中六例仅在中红外波段探测到，另有两例在z ≈ 5时被确认为[CII]发射体。
• 具有中红外对应体的HST和近红外暗淡星系在z ≈ 5时贡献了约17%的总SFRD，且主导了z > 3时星族质量函数的高质Mass端。
• 在z > 3时，大质量尘埃遮蔽星系（M* > 10^10.7 M⊙）的数量密度与更高质量的宁静星系相当，对当前半解析和流体动力学模拟构成挑战。