[论文解读] Witnessing the birth of the red sequence: the physical scale and morphology of dust emission in hyper-luminous starbursts in the early Universe

I. Oteo, R. J. Ivison+23 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 21

一句话总结

本研究利用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）在870 μm波段对红移z ≈ 4–6的44个极亮红外星暴星系进行高分辨率观测，以研究其尘埃发射的形态与物理尺寸。研究发现，这些源具有紧凑的尺寸（平均约1.46 kpc）、较短的气体耗尽 timescales，且很可能是大质量、紧凑型红序星系的前身，标志着早期宇宙中高质​​量端红序的诞生。

ABSTRACT

We present high-spatial-resolution ($\sim 0.12''$ or $\approx 800 \, { m pc}$ at $z = 4.5$) ALMA $870\,μ$m dust continuum observations of a sample of 44 ultrared dusty star-forming galaxies (DSFGs) selected from the H-ATLAS and HerMES far-infrared surveys because of their red colors from 250 to 500 $μ$m: $S_{500} / S_{250} > 1.5$ and $S_{500} / S_{350} > 1.0$. With photometric redshifts in the range $z \sim 4$-6, our sample includes the most luminous starbursting systems in the early Universe known so far, with total obscured star-formation rates (SFRs) of up to $\sim 4,500 \, M_\odot \, { m yr}^{-1}$, as well as a population of lensed, less intrinsically luminous sources. The lower limit on the number of ultrared DSFGs at 870 $μ$m (with flux densities measured from the ALMA maps and thus not affected by source confusion) derived in this work is in reasonable agreement with models of galaxy evolution, whereas there have been reports of conflicts at 500 $μ$m (where flux densities are derived from SPIRE). Ultrared DSFGs have a variety of morphologies (from relatively extended disks with smooth radial profiles, to compact sources, both isolated and interacting) and an average size, $θ_{ m FWHM}$, of $1.46 \pm 0.41\, { m kpc}$, considerably smaller than the values reported in previous work for less-luminous DSFGs at lower redshifts. The size and the estimated gas-depletion times of our sources are compatible with their being the progenitors of the most massive, compact, red-and-dead galaxies at $z \sim 2$-3, and ultimately of local ultra-massive elliptical galaxies or massive galaxy clusters. We are witnessing the birth of the high-mass tail of the red sequence of galaxies.

研究动机与目标

• 确定早期宇宙中最明亮星暴星系的尘埃发射物理尺寸与形态。
• 通过使用高分辨率ALMA数据，解决500 μm波段（SPIRE）观测到的极亮DSFG数量密度与模型预测之间的差异。
• 检验这些超亮、富含尘埃的星暴星系是否为红移z ≈ 2–3观测到的大质量、紧凑型宁静星系的前身。
• 评估先前远红外巡天中源混淆、波束弥散和流量增强对数量密度造成的偏差。
• 建立高红移星暴星系与本地超大质量椭圆星系形成之间的演化联系。

提出的方法

• 从H-ATLAS和HerMES巡天中选取44个极亮红外DSFG，依据其红色SPIRE色指数（S500/S250 > 1.5，S500/S350 > 1.0），表明其红移较高（z ≈ 4–6）。
• 利用高空间分辨率（红移z=4.5时约为0.12″或800 pc）的ALMA 870 μm尘埃连续谱观测，测量流量密度并解析源的形态。
• 使用光度红移和SED建模估算总遮蔽恒星形成率（SFR），各组分的SFR最高可达约~2,400 M⊙ yr⁻¹。
• 将ALMA在870 μm波段获得的数量密度与SPIRE在500 μm波段的数量密度进行比较，以评估波束弥散和流量增强的影响。
• 测量尘埃发射组分的半高全宽（FWHM）尺寸，以推断其物理尺寸和气体耗尽 timescales。
• 通过比较尺寸和SFR timescale，评估这些紧凑、明亮星暴星系与红移z ≈ 2–3大质量宁静星系之间的演化联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移z ≈ 4–6的最明亮星暴星系中，尘埃发射的物理尺寸与形态结构如何？
• RQ2 为何SPIRE在500 μm波段观测到的极亮DSFG数量密度与模型预测存在冲突，而ALMA在870 μm波段的观测结果却无此冲突？
• RQ3 这些超亮、富含尘埃的星暴星系是否为红移z ≈ 2–3观测到的大质量、紧凑型宁静星系的前身？
• RQ4 这些源的气体耗尽 timescales 与宁静星系形成及熄灭所需的时间尺度相比如何？
• RQ5 大尺寸SPIRE波束中的波束弥散和流量增强在多大程度上影响了500 μm数量密度的可靠性？

主要发现

• 44个极亮DSFG的尘埃发射FWHM平均尺寸为1.46 ± 0.41 kpc，显著小于低红移处较不亮DSFG的测量值。
• 这些源表现出多样的形态，包括平滑盘状、紧凑源以及相互作用系统，表明其形成路径多样。
• 所有组分的总遮蔽恒星形成率最高可达约4,500 M⊙ yr⁻¹，单个组分的SFR最高可达约2,400 M⊙ yr⁻¹。
• 气体耗尽 timescale 估计为数亿年，与快速熄灭及紧凑宁静星系的形成一致。
• ALMA在870 μm波段获得的数量密度与星系演化模型高度一致，解决了与SPIRE在500 μm波段观测结果的矛盾。
• 500 μm波段观测到的矛盾可归因于大尺寸SPIRE波束中的波束弥散和流量增强效应，而这些效应在高分辨率ALMA观测中并不存在。