[论文解读] The galaxies missed by Hubble and ALMA: the contribution of extremely red galaxies to the cosmic census at 3

Christina C. Williams, Stacey Alberts+34 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 6

一句话总结

利用JADES、JEMS和SMILES的深空JWST成像，本研究在3 < z < 8红移区间内识别出一组此前哈勃望远镜和ALMA未能探测到的极红、富含尘埃且处于星暴后阶段的星系。引入MIRI波段测光可使推断的恒星质量与恒星形成率分别减少0.6 dex和10倍，揭示这些暗淡、被遮蔽的源可能使4 < z < 6红移区间的遮蔽恒星形成率密度估计值翻倍，显著修正早期星系形成过程的宇宙学普查结果。

ABSTRACT

Using deep JWST imaging from JADES, JEMS and SMILES, we characterize optically-faint and extremely red galaxies at $z&gt;3$ that were previously missing from galaxy census estimates. The data indicate the existence of abundant, dusty and post-starburst-like galaxies down to $10^8$M$_\odot$, below the sensitivity limit of Spitzer and ALMA. Modeling the NIRCam and HST photometry of these red sources can result in extreme, high values for both stellar mass and star formation rate (SFR); however, including 7 MIRI filters out to 21$μ$m results in decreased mass (median 0.6 dex for log$_{10}$M$^*$/M$_{\odot}&gt;$10), and SFR (median 10$ imes$ for SFR$&gt;$100 M$_{\odot}$/yr). At $z&gt;6$, our sample includes a high fraction of little red dots (LRDs; NIRCam-selected dust-reddened AGN candidates). We significantly measure older stellar populations in the LRDs out to rest-frame 3$μ$m (the stellar bump) and rule out a dominant contribution from hot dust emission, a signature of AGN contamination to stellar population measurements. This allows us to measure their contribution to the cosmic census at $z&gt;3$, below the typical detection limits of ALMA ($L_{ m IR}&lt;10^{12}L_\odot$). We find that these sources, which are overwhelmingly missed by HST and ALMA, could effectively double the obscured fraction of the star formation rate density at $4

研究动机与目标

• 识别并表征此前哈勃望远镜和ALMA未能探测到的、在3 < z < 8红移区间内光学暗淡、极红的星系。
• 评估这些被遗漏星系对宇宙恒星形成率密度的贡献，特别是对遮蔽（尘埃）成分的贡献。
• 确定是否可通过深度MIRI测光（至21 μm）校正恒星质量与SFR估计中因极端光谱能量分布建模偏差带来的系统误差。
• 评估z > 6红移区间内“小红点”（LRDs）的本质，特别是其是否由活动星系核（AGN）主导，或与演化后的恒星种群一致。
• 量化这些此前被遗漏的源对早期宇宙星系形成整体宇宙学普查的影响。

提出的方法

• 利用JWST的NIRCam和MIRI仪器在JADES、JEMS和SMILES巡天中获取的深度近红外与中红外成像数据。
• 采用Prospector和EAZY程序进行光度红移与星族合成建模，拟合从Rest-frame紫外至21 μm波段的谱能分布（SED）。
• 整合ALMA 1.3 mm数据以约束尘埃辐射并评估活动星系核（AGN）污染的可能性。
• 利用Rest-frame 3 μm处的恒星突起作为诊断工具，以区分演化后的恒星种群与高温尘埃辐射。
• 利用MIRI滤波器延伸至21 μm，以打破仅依赖NIRCam数据时在恒星质量与SFR估计中的多重解歧义。
• 基于NIRCam颜色选择将源分类为“小红点”（LRDs），并通过光度红移确认其高红移性质。

Figure 1: F150W–F444W color vs F444W magnitude illustrating our selection from the JADES catalog with S/N $>$ 20 in F444W (black points). We identify very red sources by their F150W–F444W $>2.2$ color (all colored points) color coded by their EAZY photometric redshift. We further identify the optica

实验结果

研究问题

• RQ1 在3 < z < 8红移区间内，极红、富含尘埃的星系对宇宙恒星形成率密度的真实贡献是多少，特别是当其红外光度低于哈勃望远镜与ALMA的探测极限时？
• RQ2 恒星种群建模偏差在恒星质量与SFR估计中在多大程度上源于缺失中红外测光？MIRI数据在多大程度上可纠正这些偏差？
• RQ3 在z > 6红移区间内，小红点（LRDs）是否主要由活动星系核（AGN）活动主导，还是与演化后的恒星种群一致？如何区分？
• RQ4 这些被遗漏星系的物理属性（如恒星质量、SFR与尘埃消光）与标准星系星表中的源相比有何异同？
• RQ5 这些此前未被探测到的源在多大程度上改变了4 < z < 6红移区间内对恒星形成率密度遮蔽分量的推断？

主要发现

• 将MIRI测光扩展至21 μm后，对于log10(M*/M⊙) > 10且SFR > 100 M⊙/yr的源，中位恒星质量估计值降低0.6 dex，SFR估计值降低10倍。
• 在z > 6红移区间内，大量高红移星系表现为小红点（LRDs），且在Rest-frame 3 μm处有强恒星突起，有力排除了AGN主导的高温尘埃辐射。
• 这些极红、富含尘埃的星系几乎全部被哈勃望远镜与ALMA遗漏，其红外光度低于ALMA灵敏度极限（L_IR < 10^12 L⊙）。
• 将这些此前未被探测到的源纳入考虑，可使4 < z < 6红移区间内遮蔽恒星形成率密度的估计值几乎翻倍。
• 在5.5 < z < 7.7红移区间内，五个源显示出清晰的巴尔末跃迁（Balmer breaks）与高恒星质量，暗示其为演化后的恒星种群，尽管仍需光谱观测确认其本质。
• 本研究证明，以往的宇宙学普查显著低估了暗淡、富含尘埃且处于星暴后阶段的星系在早期星系演化中的贡献。

Figure 2: For sources with MIRI and ALMA coverage, we compare inferred photometric redshift, stellar mass and SFR from our prospector modeling of HST+NIRCam+MIRI+ALMA vs just the HST+NIRCam photometry. Left panel shows the inferred photometric redshift (sources with spectroscopic redshifts are exclu