Abstract By using an ultradeep JWST/MIRI image at 5.6 μ m in the Hubble eXtreme Deep Field, we constrain the role of strong H α emitters (HAEs) during “cosmic reionization” at z ≃ 7–8. Our sample of HAEs is comprised of young (<35 Myr) galaxies, except for one single galaxy (≈300 Myr), with low stellar masses (≲10 9 M ⊙ ). These HAEs show a wide range of rest-frame UV continuum slopes ( β ), with a median value of β = −2.15 ± 0.21, which broadly correlates with stellar mass. We estimate the ionizing photon production efficiency ( ξ ion,0 ) of these sources (assuming f esc,LyC = 0%), which yields a median value log 10 ( ξ ion , 0 / ( Hz   erg − 1  ) ) = 25.50 − 0.12 + 0.10 . We show that ξ ion,0 positively correlates with H α equivalent width and specific star formation rate. Instead ξ ion,0 weakly anticorrelates with stellar mass and β . Based on the β values, we predict f esc , LyC = 4 % − 2 + 3 , which results in log 10 ( ξ ion / ( Hz   erg − 1  ) ) = 25.55 − 0.13 + 0.11 . Considering this and related findings from the literature, we find a mild evolution of ξ ion with redshift. Additionally, our results suggest that these HAEs require only modest escape fractions ( f esc,rel ) of 6%–15% to reionize their surrounding intergalactic medium. By only considering the contribution of these HAEs, we estimated their total ionizing emissivity ( N ̇ ion ) as N ̇ ion =  10 50.53 ± 0.45    s − 1   Mpc − 3  . When comparing their N ̇ ion with non-HAE galaxies across the same redshift range, we find that that strong, young, and low-mass emitters may have played an important role during cosmic reionization.

Abstract We present observations and analysis of the starburst PACS-819 at z = 1.45 ( M * = 10 10.7 M ⊙ ), using high-resolution (0.″1; 0.8 kpc) Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) and multiwavelength JWST images from the COSMOS-Web program. Dissimilar to Hubble Space Telescope (HST) ACS images in the rest-frame UV, the redder NIRCam and MIRI images reveal a smooth central mass concentration and spiral-like features, atypical for such an intense starburst. Through dynamical modeling of the CO ( J = 5–4) emission with ALMA, PACS-819 is rotation dominated and thus consistent with having a disk-like nature. However, kinematic anomalies in CO and asymmetric features in the bluer JWST bands (e.g., F150W) support a more disturbed nature likely due to interactions. The JWST imaging further enables us to map the distribution of stellar mass and dust attenuation, thus clarifying the relationships between different structural components not discernible in the previous HST images. The CO ( J = 5–4) and far-infrared dust continuum emission are cospatial with a heavily obscured starbursting core (<1 kpc) that is partially surrounded by much less obscured star-forming structures including a prominent arc, possibly a tidally distorted dwarf galaxy, and a massive clump (detected in CO), likely a recently accreted low-mass satellite. With spatially resolved maps, we find a high molecular gas fraction in the central area reaching ∼3 ( M gas / M * ) and short depletion times ( M gas /SFR ∼ 120 Myr, where SFR is star formation rate) across the entire system. These observations provide insights into the complex nature of starbursts in the distant Universe and underscore the wealth of complementary information from high-resolution observations with both ALMA and JWST.

Abstract We present deep James Webb Space Telescope (JWST)/Mid-Infrared Instrument (MIRI) F560W observations of a flux-limited, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA)-selected sample of 28 galaxies at z = 0.5–3.7 in the Hubble Ultra Deep Field (HUDF). The data from the MIRI Deep Imaging Survey (MIDIS) reveal the stellar structure of the HUDF galaxies at rest-frame wavelengths of λ > 1 μ m for the first time. We revise the stellar mass estimates using new JWST photometry and find good agreement with pre-JWST analyses; the few discrepancies can be explained by blending issues in the earlier lower-resolution Spitzer data. At z ∼ 2.5, the resolved rest-frame near-infrared (1.6 μ m) structure of the galaxies is significantly more smooth and centrally concentrated than seen by the Hubble Space Telescope at rest-frame 450 nm (F160W), with effective radii of R e (F560W) = 1–5 kpc and Sérsic indices mostly close to an exponential (disk-like) profile ( n ≈ 1), up to n ≈ 5 (excluding active galactic nuclei). We find an average size ratio of R e (F560W)/ R e (F160W) ≈ 0.7 that decreases with stellar mass. The stellar structure of the ALMA-selected galaxies is indistinguishable from a HUDF reference sample of all galaxies with a MIRI flux density greater than 1 μ Jy. We supplement our analysis with custom-made, position-dependent, empirical point-spread function models for the F560W observations. The results imply that a smoother stellar structure is in place in massive gas-rich, star-forming galaxies at “Cosmic Noon,” despite a more clumpy rest-frame optical appearance, placing additional constraints on galaxy formation simulations. As a next step, matched-resolution, resolved ALMA observations will be crucial to further link the mass- and light-weighted galaxy structures to the dusty interstellar medium.

Abstract We investigate the properties of strong (H β + [O iii ]) emitters before and after the end of the “Epoch of Reionization” from z = 8 to z = 5.5. We make use of ultradeep JWST / NIRCam imaging in the parallel field (P2) of the MIRI Deep Imaging Survey (MIDIS) in the Hubble eXtreme Deep Field (H-XDF), in order to select prominent (H β + [O iii ]) emitters (with rest-frame equivalent width (EW 0 ) ≳ 100 Å) at z = 5.5–7, based on their flux density enhancement in the F356W band with respect to the spectral energy distribution continuum. We complement our selection with other (H β + [O iii ]) emitters from the literature at similar and higher ( z = 7−8) redshifts. We find (nonindependent) anticorrelations between EW 0 (H β + [O iii ]) and both galaxy stellar mass and age, in agreement with previous studies, and a positive correlation with specific star formation rate (sSFR). On the SFR– M ⋆ plane, the (H β + [O iii ]) emitters populate both the star formation main sequence and the starburst region, which become indistinguishable at low stellar masses ( log 10 (  M ⋆  ) < 7.5 ). We find tentative evidence for a nonmonotonic relation between EW 0 (H β + [O iii ]) and SFR, such that both parameters correlate with each other at SFR ≳ 1 M ⊙ yr −1 , while the correlation flattens out at lower SFRs. This suggests that low metallicities producing high EW 0 (H β + [O iii ]) could be important at low SFR values. Interestingly, the properties of the strong emitters and other galaxies (33% and 67% of our z = 5.5–7 sample, respectively) are similar, including, in many cases, high sSFR. Therefore, it is crucial to consider both emitters and nonemitters to obtain a complete picture of the cosmic star formation activity around the Epoch of Reionization.

Abstract We present the first results from the Web Epoch of Reionization Ly α Survey (WERLS), a spectroscopic survey of Ly α emission using Keck I/MOSFIRE and LRIS. WERLS targets bright ( J < 26) galaxy candidates with photometric redshifts of 5.5 ≲ z ≲ 8 selected from pre-JWST imaging embedded in the Epoch of Reionization (EoR) within three JWST deep fields: CEERS, PRIMER, and COSMOS-Web. Here, we report 11 z ∼ 7–8 Ly α emitters (LAEs; three secure and eight tentative candidates) detected in the first five nights of WERLS MOSFIRE data. We estimate our observed LAE yield is ∼13%, which is broadly consistent with expectations assuming some loss from redshift uncertainty, contamination from sky OH lines, and that the Universe is approximately half-ionized at this epoch, whereby observable Ly α emission is unlikely for galaxies embedded in a neutral intergalactic medium. Our targets are selected to be UV-bright, and span a range of absolute UV magnitudes with −23.1 < M UV < −19.8. With two LAEs detected at z = 7.68, we also consider the possibility of an ionized bubble at this redshift. Future synergistic Keck+JWST efforts will provide a powerful tool for pinpointing beacons of reionization and mapping the large-scale distribution of mass relative to the ionization state of the Universe.

Dusty star-forming galaxies (DSFGs) at z > 2 have been commonly observed in overdense regions, where the merging processes and large halo masses induce rapid gas accretion, triggering star formation rates (SFRs) up to ∼1000 M ⊙ yr −1 . Despite the importance of these DSFGs for understanding star formation in the early Universe, their stellar distributions, traced by the near-infrared (near-IR) emission, had remained spatially unresolved until the arrival of the JWST. In this work, we present, for the first time, a spatially resolved morphological analysis of the rest-frame near-IR (∼1.1–3.5 μm) emission in DSFGs traced with the JWST/MIRI F 560 W , F 770 W , F 1280 W , and F 1800 W filters. In particular, we studied the mature stellar component for the three DSFGs and a Lyman-break galaxy (LBG) present in an overdensity at z = 4.05. Moreover, we used these rest-frame near-IR images along with ultraviolet (UV) and (sub)-mm ancillary photometric data to model their spectral energy distributions (SEDs) and extract their main physical properties (e.g. M * , SFR, A V ). The sub-arcsec resolution images from the JWST have revealed that the light distributions in these galaxies present a wide range of morphologies, from disc-like to compact and clump-dominated structures. Two DSFGs and the LBG are classified as late-type galaxies (LTGs) according to non-parametric morphological indices, while the remaining DSFG is an early-type galaxy (ETG). These near-IR structures contrast with their ultraviolet emission, which is diffuse and, in GN20 and GN20.2b, off-centred by ∼4 kpc. This result suggests that star formation takes place across the entire galaxy, while the UV light traces only those regions where the otherwise high internal extinction decreases significantly. The SED fitting analysis yields large SFRs (∼300–2500 M ⊙ yr −1 ), large stellar masses ( M * = (0.24–1.79) × 10 11 M ⊙ ), and high integrated extinction values ( A V = 0.8–1.5 mag) for our galaxies. In particular, we observe that GN20 dominates the total SFR with a value 2550 ± 150 M ⊙ yr −1 , while GN20.2b has the highest stellar mass ( M * = (2.2 ± 1.4) × 10 11 M ⊙ ). The two DSFGs classified as LTGs (GN20 and GN20.2a) have a high specific SFR (sSFR > 30 Gyr −1 ), placing them above the star-forming main sequence (SFMS) at z ∼ 4 by ∼0.5 dex; whereas the ETG (i.e. GN20.2b) is compatible with the high-mass end of the main sequence. In comparison with other DSFGs in overdensities at z ∼ 2–7, we observe that our objects present similar SFRs, depletion times, and projected separations. Nevertheless, the sizes computed for GN20 and GN20.2a are up to two times larger than those of isolated galaxies observed in CEERS and ALMA-HUDF at similar redshifts. We interpret this difference in size as an effect of rapid growth induced by the dense environment.

Abstract The current paradigm for the co-evolution of galaxies and their supermassive black holes postulates that dust-obscured active galactic nuclei (AGNs) represent a transitional phase towards a more luminous and unobscured state. However, our understanding of dusty AGNs and their host galaxies at early cosmic times is inadequate due to observational limitations. Here, we present JWST observations of CID-931, an X-ray-detected AGN at a spectroscopic redshift of $z_{\rm spec}=4.91$. Multiband NIRCam imaging from the COSMOS-Web program reveals an unresolved red core, similar to JWST-discovered dusty AGNs. Strikingly, the red core is surrounded by at least eight massive star-forming clumps spread over ${1{^{\prime \prime}_{.}}6} \approx 10\,\,{\rm kpc}$, each of which has a stellar mass of $10^9$–$10^{10}\, M_{\odot }$ and a radius of $\sim$0.1–1 kpc. The whole system amounts to $10^{11}\, M_{\odot }$ in stellar mass, higher than typical star-forming galaxies at the same epoch. In this system, gas inflows and/or complex merger events may trigger clump formation and AGN activity, thus leading to the rapid formation of a massive galaxy hosting a supermassive black hole. Future follow-up observations will provide new insights into the evolution of the galaxy–black hole relationship during such transitional phases in the early universe.

Abstract We report the discovery of Cerberus, an extremely red object detected with the MIRI Deep Imaging Survey (MIDIS) observations in the F1000W filter of the Hubble Ultra Deep Field. The object is detected at signal-to-noise ratio (S/N) ∼ 6, with F1000W ∼ 27 mag, and undetected in the NIRCam data gathered by the JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), fainter than the 30.0–30.5 mag 5 σ detection limits in individual bands, as well as in the MIDIS F560W ultradeep data (∼29 mag, 5 σ ). Analyzing the spectral energy distribution built with low-S/N (<5) measurements in individual optical-to-mid-infrared filters and higher-S/N (≳5) measurements in stacked NIRCam data, we discuss the possible nature of this red NIRCam-dark source using a battery of codes. We discard the possibility of Cerberus being a solar system body based on the <0.″016 proper motion in the 1 yr apart JADES and MIDIS observations. A substellar Galactic nature is deemed unlikely, given that the Cerberus’s relatively flat NIRCam-to-NIRCam and very red NIRCam-to-MIRI flux ratios are not consistent with any brown dwarf model. The extragalactic nature of Cerberus offers three possibilities: (1) a z ∼ 0.4 galaxy with strong emission from polycyclic aromatic hydrocarbons—the very low inferred stellar mass, M ⋆ = 10 5 –10 6 M ⊙ , makes this possibility highly improbable; (2) a dusty galaxy at z ∼ 4 with an inferred stellar mass M ⋆ ∼ 10 8 M ⊙ ; and (3) a galaxy with observational properties similar to those of the reddest little red dots discovered around z ∼ 7, but Cerberus lying at z ∼ 15, with the rest-frame optical dominated by emission from a dusty torus or a dusty starburst.

Optically dark dusty star-forming galaxies (DSFGs) play an essential role in massive galaxy formation at early cosmic time; however, their nature remains elusive. Here, we present a detailed case study of all the baryonic components of a z=4.821 DSFG, XS55. Selected from the ultra-deep COSMOS-XS 3GHz map with a red SCUBA-2 450μm/850μm colour, XS55 was followed up with ALMA 3mm line scans and spectroscopically confirmed to be at z=4.821 via detections of the CO(5-4) and C I (1-0) lines. JWST/NIRCam imaging reveals that XS55 is a F150W drop-out with a red F277W/F444W colour and a complex morphology: a compact central component embedded in an extended structure with a likely companion. XS55 is tentatively detected in X-rays with both Chandra and XMM-Newton, suggesting an active galactic nucleus nature. By fitting a panchromatic spectral energy distribution spanning from near-infrared to radio wavelengths, we reveal that XS55 is a massive main-sequence galaxy with a stellar mass of M_*=(5±1) M_⊙ and a star formation rate of $ SFR =540±177 $. The dust of XS55 is optically thick in the far-infrared with a surprisingly cold dust temperature of T_ dust K making XS55 one of the coldest DSFGs at z>4 known to date. This work unveils the nature of a radio-selected F150W drop-out, suggesting the existence of a population of DSFGs hosting active black holes embedded in optically thick dust.