[论文解读] The dust enrichment of early galaxies in the JWST and ALMA era

Valentin Mauerhofer, Pratika Dayal|arXiv (Cornell University)|May 2, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 8

一句话总结

该研究使用 delphi 半解析模型，具有两个随红shift与质量无关的参数，预测高红移星系在 z~20 之前的紫外和红外（UV/FIR）性质，强调尘埃效应、紫外可见性和 FIR 演化。

ABSTRACT

Recent observations with the James Webb Space Telescope are yielding tantalizing hints of an early population of massive, bright galaxies at $z > 10$, with Atacama Large Millimeter Array (ALMA) observations indicating significant dust masses as early as $z\sim 7$. To understand the implications of these observations, we use the DELPHI semi-analytic model that jointly tracks the assembly of dark matter halos and their baryons, including the key processes of dust enrichment. Our model employs only two redshift- and mass-independent free parameters (the maximum star-formation efficiency and the fraction of supernova energy that couples to gas) that are tuned against all available galaxy data at $z \sim 5-9$ before it is used to make predictions up to $z \sim 20$. Our key results are: (i) the model under-predicts the observed ultraviolet luminosity function (UV LF) at $z > 12$; observations at $z>16$ lie close to, or even above, a "maximal" model where all available gas is turned into stars; (ii) UV selection would miss 34\% of the star formation rate density at $z \sim 5$, decreasing to 17\% by $z \sim 10$ for bright galaxies with $ m{M_{UV}} < -19$; (iii) the dust mass ($M_d$) evolves with the stellar mass ($M_*$) and redshift as $\log(M_d) = 1.194\log(M_*) + 0.0975z - 5.433$; (iv) the dust temperature increases with stellar mass, ranging between $30-33$ K for $M_* \sim 10^{9-11}M_\odot$ galaxies at $z \sim 7$. Finally, we predict the far infrared LF at $z \sim 5-20$, testable with ALMA observations, and caution that spectroscopic redshifts and dust masses must be pinned down before invoking unphysical extrema in galaxy formation models.

研究动机与目标

• 理解尘埃富集及其对 JWST 与 ALMA 时代早期星系可观测性影响的动力学与动机。
• 预测高红移星系的 UV 与 FIR 光度，以及尘埃对紫外光的衰减。
• 把尘埃质量与温度与恒星质量和红shift 联系起来，为 FIR 光度函数提供信息。
• 将模型预测与从 z~5 到 z~20 的 UV 光度函数、恒星质量函数和宇宙 SFR 密度进行对比测试。

提出的方法

• 采用 delphi 半解析模型，跟踪暗物质晕的聚合和含尘物质的演化。
• 使用两个随红shift与质量无关的自由参数：最大恒星形成效率 f_* 与超新星能量耦合分数 f_w，基于 z~5-9 的数据进行标定。
• 通过耦合的金属与尘埃微分方程（含生长与破坏）计算气体吸积、恒星形成、SN 反馈与尘埃演化。
• 通过 BPASS 恒星族群生成内在 UV 光度，并使用带尘埃光学厚度与 M_d、r_d 相关的板状几何模型应用尘埃衰减。
• 执行能量平衡以推导 FIR 光度并从 L_FIR 与 M_d 推估尘埃温度，考虑高 z 时的背景辐射（CMB）影响。

Figure 1 : The UV LF at $z\sim 5-20$ , as marked in the panels. In each panel, the dashed and solid lines represent the intrinsic and dust-attenuated UV LFs from the theoretical model, respectively. Finally, the dotted lines at $z\lower 1.93748pt\hbox{$\;\buildrel>\over{\sim}\;$}13$ represent the up

实验结果

研究问题

• RQ1 尘埃富集如何影响紫外光 luminosity 函数及高红移星系在 z~20 的紫外可见性？
• RQ2 在早期星系中，尘埃质量、恒星质量、恒星形成与红shift之间的关系，以及它们对 FIR 发射的影响？
• RQ3 模型是否能再现从 z~5 到 z~9 的观测 UV 与恒星质量函数，并预测 z~5-20 的 FIR 光度函数？
• RQ4 由于尘埃衰减，UV 选择会错过多少星形成分数，特别是对明亮星系？
• RQ5 尘埃温度与 UV逃逸分数如何随星系质量与红shift 演化？

主要发现

• 模型在 z>12 的 UV LF 预测偏低；在 z>16 时观测数据接近具有高恒星形成效率的最大模型。
• 在 z~5 时，对于明亮星系（M_UV<-19），UV 选择会错过 34% 的 SFR 密度，至 z~10 降至 17%。
• 尘埃质量与恒星质量及红shift 的关系为 log(M_d)=1.194 log(M_*)+0.0975 z-5.433。
• 在 z~7 时，M_* 约为 10^9-10^11 M_sun 的星系，尘埃温度约在 ~30-33 K，并随恒星质量增加而升高。
• 模型预测 FIR 光度并可约束 z~5-20 的远红外 LF，但需谨慎对待光谱红shift 与尘埃质量确定问题。
• UV LF 的演化表明尘埃影响在 z~5-10 的较 faint/moderate 光度段开始显现，而对于 brightest 系统在 z>12 时可忽略尘埃影响。

Figure 2 : The redshift evolution of the dust-attenuated UV LF from our model between $z\sim 5-20$ , as marked.