Abstract We combine JWST/NIRCam and Subaru/MOIRCS dual Pa β +H α narrowband imaging to trace the dust attenuation and the star formation activities of a sample of 43 H α emitters at the core of one of the most massive and best-studied clusters in formation at the cosmic noon: the Spiderweb protocluster at z = 2.16. We find that most H α emitters display Pa β /H α ratios compatible with Case B recombination conditions, which translates into nebular extinction values ranging at A V ≈ 0–3 mag, and dust corrected Pa β star formation rates consistent with coeval main sequence field galaxies at fixed stellar mass ( 9.4 < log  M * / M ⊙ < 11.0 ) during this cosmic epoch. Furthermore, we investigate possible environmental impacts on dust extinction across the protocluster large-scale structure and find no correlation between the dustiness of its members and environmental proxies such as phase-space position, clustercentric radius, or local density. These results support the scenario for which dust production within the main galaxy population of this protocluster is driven by secular star formation activities fueled by smooth gas accretion across its large-scale structure. This downplays the role of gravitational interactions in boosting star formation and dust production within the Spiderweb protocluster, in contrast with observations in higher redshift and less evolved protocluster cores.

ABSTRACT Low-mass galaxies at high redshifts are the building blocks of more massive galaxies at later times and are thus key populations for understanding galaxy formation and evolution. We have made deep narrow-band observations for two protoclusters and the general field in COSMOS at z ∼ 2. In a clumpy young protocluster, USS1558−003, at z = 2.53, we find many star-forming galaxies well above the star-forming main sequence of field galaxies at the low-mass end ($M_{\star }/\mathrm{{\rm M}_{\odot }}\lt 10^{8.9}$). This suggests that some environmental effects may be at work in low-mass galaxies in high-density regions to enhance their star-formation activities. In the core of this protocluster, we also find enhanced star-formation activity of middle-mass galaxies ($10^{8.9} \lt M_{\star }/\mathrm{{\rm M}_{\odot }} \lt 10^{10.2}$) while such trends are not observed in a more mature protocluster, PKS1138−262 at z = 2.16. We expect these activities to be mainly due to galaxy mergers/interactions and differences in the amount of cold gas accretion. As one piece of evidence, we show that the star-formation activity within individual galaxies in the protoclusters is more centrally concentrated than those in the field. This is probably due to enhanced interactions between galaxies in the protocluster, which can reduce the angular momentum of the gas, drive the gas towards the galaxy centre, and lead to a central starburst.

Abstract We report the Hubble Space Telescope Wide Field Camera 3 G141 grism slitless spectroscopy observation of the core region of the Spiderweb protocluster at z = 2.16. We analyzed the spectra of all objects in a ∼ 2 × 2   arcmin 2  field of view and identified 40 protocluster members, recovering 19 previously identified H α emitters in addition to revealing 21 new members. The spectra allowed us to identify 11 galaxies with quiescent spectra. In all, 3 galaxies with quiescent spectra are possibly still star forming according to spectral energy distribution fitting, indicating a possible leftover or dust-obscured star formation. We estimate a quiescent fraction of ∼50% for M ⋆ > 10 11 M ⊙ . About half of the quiescent galaxies possibly host an active galactic nucleus (AGN), hinting at AGN’s key role in quenching galaxies in the protocluster environment. These quiescent galaxies have relatively more compact and concentrated light profiles than the star-forming members, but they are not yet as bulge dominated as local ellipticals. These results are consistent with previous studies that indicate the Spiderweb protocluster is in the maturing stage, with a red sequence that has begun forming.

ABSTRACT Near-infrared (NIR) emission is less affected by dust than ultraviolet and optical emission and is therefore useful for studying the properties of dust-obscured galaxies. Although rest-frame NIR observations of high-redshift galaxies have long been made using space telescopes, their structures were unresolved due to the lack of angular resolution. This letter reports the early results from the analysis of high-resolution Pa$\beta$ imaging of the Spiderweb protocluster at $z=2.16$ with the JWST Near Infrared Camera. We investigate radial profiles of Pa$\beta$ lines and rest-frame NIR continua from luminous H $\alpha$-emitting galaxies (HAEs) in the protocluster. Particularly, we compare those of 11 HAEs (N-HAEs) on the star-forming main sequence with those of 8 HAEs (X-HAEs) with X-ray active galactic nuclei (AGNs). Resultant composite Pa$\beta$ line images of N-HAEs indicate significant star formation in galactic discs. In contrast, X-HAEs are dominated by point source components rather than outer star formation, as inferred from our earlier work based on multiwavelength spectral energy distribution fitting. Given their higher stellar potentials suggested from their rest-frame NIR images, the different characteristics may be driven by the impact of AGN feedback.