Euclid Quick Data Release (Q1). The average far-infrared properties of Euclid-selected star-forming galaxies

Résumé technique : Les propriétés moyennes dans l'infrarouge lointain des galaxies à formation d'étoiles sélectionnées par Euclid

Problématique et motivation
Le premier Quick Data Release (Q1) de la mission Euclid fournit un ensemble de données optiques et dans le proche infrarouge (NIR) sans précédent, contenant des millions de galaxies avec des redshifts photométriques robustes, des masses stellaires et des taux de formation stellaire (SFR) dérivés de l'ajustement de la distribution spectrale d'énergie (SED). Cependant, ces SFR dérivés de l'optique/NIR reposent sur des hypothèses concernant l'atténuation de la poussière et la population stellaire sous-jacente. Afin de contraindre indépendamment les propriétés moyennes dans l'infrarouge lointain (far-IR) de ces galaxies et de vérifier la cohérence des estimations du SFR, cette étude examine l'émission thermique des grains de poussière. Bien que les analyses de stacking précédentes de données far-IR (par exemple, dans les champs UDS, COSMOS ou GAMA) aient été limitées par de petites surfaces de ciel ou des plages de redshift restreintes, le catalogue Euclid Q1 permet l'empilement (stacking) de millions de galaxies sur des dizaines de degrés carrés, permettant une caractérisation statistiquement robuste de la séquence principale (MS) des galaxies à formation d'étoiles jusqu'à $z \approx 3$.

Méthodologie
Les auteurs ont utilisé le catalogue de fusion Euclid Q1 (spécifiquement l'échantillon décrit par Euclid Collaboration: Enia et al. 2025), sélectionnant des galaxies à formation d'étoiles dans la plage de redshift $0,2 < z < 3,0$ et la plage de masse stellaire $8,3 < \log_{10}(M_*/M_\odot) < 11,5$. L'échantillon a été croisé avec l'imagerie far-IR existante de l'Observatoire spatial Herschel (PACS à 100/160 $\mu$m ; SPIRE à 250/350/500 $\mu$m) et de l'instrument SCUBA-2 (450/850 $\mu$m). L'analyse a couvert une zone de chevauchement totale de 17,6 deg$^2$ pour SPIRE et 2,4 deg$^2$ pour SCUBA-2.

Pour traiter la résolution angulaire grossière des instruments far-IR (10–30 arcsecondes) par rapport à la résolution de Euclid (~0,2 arcseconde), les auteurs ont employé une analyse de stacking utilisant l'algorithme SimStack. Cette méthode résout simultanément les densités de flux moyennes de plusieurs compartiments (bins) définis par la masse stellaire et le redshift. Les caractéristiques méthodologiques clés comprenaient :

• Implémentation de SimStack : Résolution d'un système linéaire $y = S_1 X_1 + \dots + S_N X_N$ pour déterminer les amplitudes de stacking ($S_b$) pour $N$ compartiments, en tenant compte du regroupement (clustering) des galaxies et des corrélations entre compartiments sans supposer une distribution de Poisson.
• Masquage : Masquage rigoureux des régions contaminées par des étoiles brillantes, des effets de bord et des sources galactiques (par exemple, NGC 6543) pour éviter tout biais dans le flux empilé.
• Ajustement de SED : Les densités de flux empilées ont été ajustées avec un modèle de corps noir modifié transitant vers une loi de puissance aux hautes fréquences. L'indice d'émissivité de la poussière ($\beta$) et la pente de la loi de puissance ($\alpha$) ont été fixés à des valeurs dérivées de galaxies locales sélectionnées dans le far-IR ($\beta=1,96, \alpha=2,3$) en raison de contraintes photométriques limitées.
• Dérivation des paramètres : À partir des meilleurs ajustements de SED, les auteurs ont dérivé les températures de poussière moyennes ($T_d$), les masses de poussière ($M_d$) et les SFR dérivés de l'infrarouge lointain.

Résultats clés

1. Cohérence du SFR : Les SFR dérivés du far-IR montrent un bon accord avec les SFR prédits par la séquence principale (MS) de formation stellaire dérivée de la photométrie optique/NIR, avec un ratio moyen pondéré de 1,0.
2. Évolution de la température de la poussière : La température moyenne de la poussière ($T_d$) diminue avec le temps cosmique (redshift croissant). L'évolution est bien décrite par la fonction $T_d(t) = T_2 + (T_1 - T_2)e^{-t/\tau}$, où $T_1 = 79,7 \pm 7,4$ K (extrapolé à $t=0$), $T_2 = 23,2 \pm 0,1$ K (valeur asymptotique), et $\tau = 1,6 \pm 0,1$ Gyr.
   • Crucialement, $T_d$ est trouvé indépendant de la masse stellaire à travers les compartiments étudiés.
   • La convergence vers une valeur non nulle ($T_2 \approx 23$ K) en dessous de $z=1$ suggère que la poussière dans les galaxies de la MS est de plus en plus chauffée par la population stellaire existante, plus froide et plus ancienne, plutôt que uniquement par les étoiles jeunes et chaudes dans les régions de formation d'étoiles.
3. Masse de poussière et ratios : Les masses de poussière ($M_d$) et les rapports masse de poussière/masse stellaire ($M_d/M_*$) augmentent de $z=0,2$ à $z \approx 1$, après quoi ils plafonnent ou déclinent. Le rapport masse de poussière/masse stellaire diminue avec l'augmentation de la masse stellaire à tous les redshifts, ce qui est attribué aux faibles sSFR (taux de formation stellaire spécifique) dans les galaxies plus massives.
4. Fond diffus cosmologique infrarouge (CIB) : Le catalogue Euclid Q1 résout plus de 60 % du CIB à 250, 350 et 500 $\mu$m. À 100 $\mu$m, la fraction résolue est estimée entre 30 et 80 %, tandis qu'à 850 $\mu$m, elle est de 30–40 %.
5. Comparaison avec les simulations : Lorsqu'ils sont comparés au catalogue fictif (mock) MAMBO (basé sur la simulation Millennium et l'Empirical Galaxy Generator), les masses de poussière et les SFR simulés concordent raisonnablement bien. Cependant, la simulation prédit une diminution monotone de la température de la poussière avec le temps, échouant à reproduire le plateau observé à bas redshifts ($z < 1$).

Signification et revendications
L'article affirme que cette étude représente la plus grande analyse de stacking de ce type à ce jour, exploitant la profondeur et la surface uniques de la sortie Euclid Q1. La principale signification réside dans la découverte que la température moyenne de la poussière des galaxies à formation d'étoiles converge vers une valeur constante à bas redshifts, indépendamment de la masse stellaire. Cette découverte remet en question les modèles où la température de la poussière est strictement proportionnelle au SFR ou au sSFR, suggérant une transition dans le mécanisme de chauffage de la poussière, passant des étoiles jeunes et massives au champ de rayonnement stellaire général des populations stellaires plus anciennes à mesure que l'univers vieillit.

De plus, les auteurs démontrent que la corrélation entre la température de la poussière et le SFR est médiée par la masse stellaire, car $T_d$ elle-même est indépendante de la masse. Les résultats fournissent également un point de référence pour les futures sorties de données Euclid, indiquant que des imageries plus profondes seront nécessaires pour résoudre entièrement le CIB et sonder les propriétés far-IR des galaxies à des redshifts plus élevés ($z > 1,5$) et des masses stellaires plus faibles. L'étude conclut que, bien que les données actuelles de Q1 ne résolvent pas l'intégralité du CIB, elles rendent compte de la majorité du fond à des longueurs d'onde SPIRE, validant le potentiel d'Euclid pour cartographier l'histoire thermique de la population de formation d'étoiles de l'univers.