DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202557505
تاريخ النشر: 2026-01-09
المؤلف: M. P. Koprowski وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم الفلك والبحوث الفلكية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تحديدًا جديدًا لوظيفة سطوع المجرات في الأشعة تحت الحمراء البعيدة (FIR) والتطور المرتبط بكثافة معدل تكوين النجوم المخفية بالغبار ($\rho_{SFR}$) حتى الانزياح الأحمر $z \sim 6$. باستخدام AS2UDS، وهو متابعة عالية الدقة من ALMA لاستطلاع JCMT SCUBA-2 للكون، أسس المؤلفون الكثافة العددية المتحركة للمجرات الساطعة في FIR. استخدموا طريقة التكديس لاستنتاج الطرف الخافت لوظيفة سطوع FIR من خلال دمج البيانات الضوئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء من المجرات التي تشكل النجوم مع خرائط FIR وتحت المليمتر، مما يسمح بتحديد ميل الطرف الخافت لوظيفة سطوع FIR عبر مختلف صناديق الانزياح الأحمر.
تشير النتائج إلى أن السطوع المميز لوظيفة سطوع FIR، المسمى $L_*$، يزداد مع الانزياح الأحمر، متبعًا العلاقة $L_* \propto z^{1.38 \pm 0.07}$. في المقابل، تظل الكثافة العددية المميزة، $\Phi_*$، ثابتة لـ $z < 2.24$ وتنخفض كـ $\Phi_* \propto z^{-4.95 \pm 0.73}$ عند الانزياحات الحمراء الأعلى. تكشف التحليلات أنه بينما يكون تكوين النجوم المخفي بالغبار مهمًا في منتصف الكون، فإن مساهمته في $\rho_{SFR}$ تتناقص مع زيادة الانزياح الأحمر، لتصبح أقل من 25% بحلول $z \sim 6$، حيث يبدأ تكوين النجوم المرئية بالأشعة فوق البنفسجية في الهيمنة.
مقدمة
تتناول مقدمة الورقة تطور تكوين النجوم (SF) في المجرات على مدار التاريخ الكوني، مع التركيز على معايرة العلاقات الرئيسية مثل وظائف سطوع الأشعة فوق البنفسجية (UV) والأشعة تحت الحمراء (IR) وكثافة معدل تكوين النجوم ($\rho_{SFR}$). بينما أبلغت الدراسات باستمرار عن نتائج حتى الانزياحات الحمراء ($z$) التي تبلغ حوالي 2-3، تظهر تناقضات كبيرة عند الانزياحات الحمراء الأعلى، خصوصًا عند $z \gtrsim 4$، حيث يمكن أن تختلف القيم بأكثر من ترتيب من حيث الحجم. يبرز هذا التناقض الحاجة إلى تقييمات دقيقة لتكوين النجوم في الكون المبكر لتحسين نماذج تطور المجرات.
تشير الورقة إلى أن تكوين النجوم غير المخفي قد تم دراسته حتى $z \sim 11$ بسبب حساسية ملاحظات الأشعة فوق البنفسجية في إطار الراحة، ولكن الانتقال من $\rho_{SFR}$ المهيمن بالأشعة فوق البنفسجية إلى المهيمن بالأشعة تحت الحمراء لا يزال غير محدد بسبب القيود الملاحظة في الأشعة تحت الحمراء. تم تقييم مساهمة انبعاث النجوم المخفية بالغبار بشكل أساسي من خلال مصادر الأشعة تحت الحمراء القصوى، مثل المجرات تحت المليمتر (DSFGs)، التي تظهر سطوعًا عاليًا في الأشعة تحت الحمراء ($L_{IR} \gtrsim 10^{12} L_{\odot}$) ومعدلات تكوين نجوم كبيرة ($SFR \gtrsim 100 M_{\odot} \text{yr}^{-1}$). تهدف الدراسة إلى تعزيز الفهم لتطور وظيفة سطوع الأشعة تحت الحمراء، خصوصًا ميل طرفها الخافت، حتى $z \sim 6$، باستخدام نهج غير مباشر يستفيد من طرق التكديس على عينات مختارة بصريًا مكتملة الكتلة في خرائط الأشعة تحت الحمراء البعيدة. توضح الورقة هيكلها، موضحة عرض البيانات، والطرق لاشتقاق وظيفة سطوع الأشعة تحت الحمراء، والنقاشات حول $\rho_{SFR}$ الناتج مقارنة بالأدبيات الموجودة.
نقاش
في هذا القسم، يناقش المؤلفون المنهجية والنتائج المتعلقة بوظيفة سطوع الأشعة تحت الحمراء (IR) للمجرات، مع التركيز على كلا الطرفين الخافت والمشرق. تم تأسيس الطرف الخافت من خلال تكديس كتالوجات الأشعة الضوئية/القريبة من الأشعة تحت الحمراء من استطلاع UKIDSS Ultra Deep Survey وحقول COSMOS، باستخدام الكتل النجمية كبدائل لسطوع الأشعة تحت الحمراء. استخدم المؤلفون بيانات من استطلاع هيرشل واستطلاع SCUBA-2 للكون لاستخراج كثافات تدفق الأشعة تحت الحمراء البعيدة (FIR) المكدسة. تشير النتائج إلى وجود علاقة وثيقة بين سطوع الأشعة تحت الحمراء والكتل النجمية، متوافقة مع التسلسل الرئيسي للمجرات التي تشكل النجوم. يتم تقديم قيم وظيفة سطوع الأشعة تحت الحمراء الطرف الخافت في الجدول 1، مما يظهر زيادة منهجية في السطوع مع الانزياح الأحمر.
بالنسبة للطرف المشرق، تم استخدام بيانات متابعة ALMA عالية الدقة، مما يضمن عينة مكتملة التدفق من المصادر التي لديها $S_{870} > 4 \, \text{mJy}$. استخدم المؤلفون طريقة 1/V_max لاشتقاق وظيفة سطوع الأشعة تحت الحمراء الطرف المشرق، والتي تشبه إلى حد كبير النتائج السابقة ولكنها تتضمن تصحيحات الاكتمال من العينة الأصلية لـ SCUBA-2. تم ملاءمة وظيفة سطوع الأشعة تحت الحمراء باستخدام دالة شختير، مع تطور المعلمات مع الانزياح الأحمر كما هو موضح في المعادلات 7 و 8. تشير النتائج إلى زيادة حادة في الكثافة العددية المميزة للمجرات مع الانزياح الأحمر، مما يدل على أن المجرات الأكثر سطوعًا تشكلت في وقت أبكر في التاريخ الكوني. كما يقارن المؤلفون نتائجهم مع الأدبيات الموجودة، مشيرين إلى التناقضات التي تعود أساسًا إلى اختيار العينة وقضايا الاكتمال، خصوصًا فيما يتعلق بتأثيرات التداخل وتلوث النواة المجرية النشطة في الملاحظات بالأشعة تحت الحمراء.
DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202557505
Publication Date: 2026-01-09
Author(s): M. P. Koprowski et al.
Primary Topic: Astronomy and Astrophysical Research
Overview
This study presents a new determination of the evolving far-infrared (FIR) galaxy luminosity function (LF) and the associated evolution of dust-obscured star-formation rate density ($\rho_{SFR}$) up to redshift $z \sim 6$. Utilizing the AS2UDS, a high-resolution ALMA follow-up of the JCMT SCUBA-2 Cosmology Legacy Survey, the authors established the comoving number density of FIR-bright galaxies. They employed a stacking method to infer the faint-end of the FIR LF by integrating optical and near-infrared data from star-forming galaxies with FIR and submillimeter maps, allowing for the determination of the faint-end slope of the FIR LF across various redshift bins.
The findings indicate that the characteristic luminosity of the FIR LF, denoted as $L_*$, increases with redshift, following the relation $L_* \propto z^{1.38 \pm 0.07}$. In contrast, the characteristic number density, $\Phi_*$, remains constant for $z < 2.24$ and declines as $\Phi_* \propto z^{-4.95 \pm 0.73}$ at higher redshifts. The analysis reveals that while dust-obscured star formation is significant at cosmic noon, its contribution to $\rho_{SFR}$ diminishes with increasing redshift, becoming less than 25% by $z \sim 6$, where UV-visible star formation begins to dominate.
Introduction
The introduction of the paper addresses the evolution of star formation (SF) in galaxies throughout cosmic history, emphasizing the calibration of key relationships such as the ultraviolet (UV) and infrared (IR) luminosity functions (LF) and the star formation rate density ($\rho_{SFR}$). While studies have consistently reported results up to redshifts ($z$) of approximately 2-3, significant discrepancies arise at higher redshifts, particularly at $z \gtrsim 4$, where values can differ by over an order of magnitude. This inconsistency highlights the need for accurate assessments of early Universe SF to refine galaxy evolution models.
The paper notes that unobscured SF has been studied up to $z \sim 11$ due to the sensitivity of rest-frame UV observations, but the transition from UV-dominated to IR-dominated $\rho_{SFR}$ remains undetermined due to observational limitations in the IR. The contribution of dust-enshrouded stellar emission has primarily been evaluated through extreme IR sources, such as submillimeter galaxies (DSFGs), which exhibit high IR luminosities ($L_{IR} \gtrsim 10^{12} L_{\odot}$) and substantial SF rates ($SFR \gtrsim 100 M_{\odot} \text{yr}^{-1}$). The study aims to enhance understanding of the IR LF evolution, particularly its faint-end slope, up to $z \sim 6$, employing an indirect approach that utilizes stacking methods on optically selected mass-complete samples in far-IR maps. The paper outlines its structure, detailing data presentation, methods for deriving the IR LF, and discussions on the resulting $\rho_{SFR}$ in comparison to existing literature.
Discussion
In this section, the authors discuss the methodology and findings related to the infrared (IR) luminosity function (LF) of galaxies, focusing on both the faint and bright ends. The faint end was established by stacking optical/near-IR catalogs from the UKIDSS Ultra Deep Survey and COSMOS fields, using stellar masses as proxies for IR luminosity. The authors utilized data from the Herschel and SCUBA-2 Cosmology Legacy Survey to extract stacked far-infrared (FIR) flux densities. The results indicate a tight correlation between IR luminosities and stellar masses, consistent with the main sequence of star-forming galaxies. The derived faint-end IR LF values are presented in Table 1, showing a systematic increase in luminosity with redshift.
For the bright end, high-resolution ALMA follow-up data were employed, ensuring a flux-complete sample of sources with $S_{870} > 4 \, \text{mJy}$. The authors applied the 1/V_max method to derive the bright-end IR LF, which closely resembles previous findings but incorporates completeness corrections from the original SCUBA-2 sample. The IR LF was fitted using a Schechter function, with parameters evolving with redshift as detailed in Equations 7 and 8. The results suggest a steep increase in the characteristic number density of galaxies with redshift, indicating that more luminous galaxies formed earlier in cosmic history. The authors also compare their findings with existing literature, noting discrepancies primarily due to sample selection and completeness issues, particularly in relation to the effects of blending and active galactic nucleus contamination in IR observations.