Using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, we have conducted a blind redshift survey in the 3 mm atmospheric transmission window for 26 strongly lensed dusty star-forming galaxies (DSFGs) selected with the South Pole Telescope. The sources were selected to have S1.4 mm > 20 mJy and a dust-like spectrum and, to remove low-z sources, not have bright radio (S843 MHz < 6 mJy) or far-infrared counterparts (S100 μm < 1 Jy, S60 μm < 200 mJy). We robustly detect 44 line features in our survey, which we identify as redshifted emission lines of 12CO, 13CO, C i, H2O, and H2O+. We find one or more spectral features in 23 sources yielding a ∼90% detection rate for this survey; in 12 of these sources we detect multiple lines, while in 11 sources we detect only a single line. For the sources with only one detected line, we break the redshift degeneracy with additional spectroscopic observations if available, or infer the most likely line identification based on photometric data. This yields secure redshifts for ∼70% of the sample. The three sources with no lines detected are tentatively placed in the redshift desert between 1.7 < z < 2.0. The resulting mean redshift of our sample is = 3.5. This finding is in contrast to the redshift distribution of radio-identified DSFGs, which have a significantly lower mean redshift of = 2.3 and for which only 10%–15% of the population is expected to be at z > 3. We discuss the effect of gravitational lensing on the redshift distribution and compare our measured redshift distribution to that of models in the literature.

The South Pole Telescope has discovered one hundred gravitationally lensed, high-redshift, dusty, star-forming galaxies (DSFGs). We present 0.5" resolution 870um Atacama Large Millimeter/submillimeter Array imaging of a sample of 47 DSFGs spanning z=1.9-5.7, and construct gravitational lens models of these sources. Our visibility-based lens modeling incorporates several sources of residual interferometric calibration uncertainty, allowing us to properly account for noise in the observations. At least 70% of the sources are strongly lensed by foreground galaxies (mu_870um > 2), with a median magnification mu_870um = 6.3, extending to mu_870um > 30. We compare the intrinsic size distribution of the strongly lensed sources to a similar number of unlensed DSFGs and find no significant differences in spite of a bias between the magnification and intrinsic source size. This may indicate that the true size distribution of DSFGs is relatively narrow. We use the source sizes to constrain the wavelength at which the dust optical depth is unity and find this wavelength to be correlated with the dust temperature. This correlation leads to discrepancies in dust mass estimates of a factor of 2 compared to estimates using a single value for this wavelength. We investigate the relationship between the [CII] line and the far-infrared luminosity and find that the same correlation between the [CII]L_FIR ratio and Sigma_FIR found for low-redshift star-forming galaxies applies to high-redshift galaxies and extends at least two orders of magnitude higher in Sigma_FIR. This lends further credence to the claim that the compactness of the IR-emitting region is the controlling parameter in establishing the "[CII] deficit."

Abstract In this paper, we describe the “Medium Bands, Mega Science” JWST Cycle 2 survey (JWST-GO-4111) and demonstrate the power of these data to reveal both the spatially integrated and spatially resolved properties of galaxies from the local Universe to the era of cosmic dawn. Executed in 2023 November, MegaScience obtained ∼30 arcmin 2 of deep multiband NIRCam imaging centered on the z ∼ 0.3 A2744 cluster, including 11 medium-band filters and the two shortest-wavelength broadband filters, F070W and F090W. Together, MegaScience and the UNCOVER Cycle 1 treasury program provide a complete set of deep (∼28–30 mag AB ) images in all NIRCam medium- and broadband filters. This unique data set allows us to precisely constrain photometric redshifts, map stellar populations and dust attenuation for large samples of distant galaxies, and examine the connection between galaxy structures and formation histories. MegaScience also includes ∼17 arcmin 2 of NIRISS parallel imaging in two broadband and four medium-band filters from 0.9 to 4.8 μ m, expanding the footprint where robust spectral energy distribution (SED) fitting is possible. We provide example SEDs and multiband cutouts at a variety of redshifts, and use a catalog of JWST spectroscopic redshifts to show that MegaScience improves both the scatter and catastrophic outlier rate of photometric redshifts by factors of 2–3. Additionally, we demonstrate the spatially resolved science enabled by MegaScience by presenting maps of the [O iii ] line emission and continuum emission in three spectroscopically confirmed z > 6 galaxies. We show that line emission in reionization-era galaxies can be clumpy, extended, and spatially offset from continuum emission, implying that galaxy assembly histories are complex even at these early epochs. We publicly release fully reduced mosaics and photometric catalogs for both the NIRCam primary and NIRISS parallel fields ( jwst-uncover.github.io/megascience ).

Massive star-forming galaxies in the high-redshift universe host large reservoirs of cold gas in their circumgalactic medium (CGM). Traditionally, these reservoirs have been linked to diffuse H I Lyman- α (Ly α ) emission extending beyond ≈10 kpc scales. In recent years, millimeter and submillimeter observations have started to identify even colder gas in the CGM through molecular and/or atomic tracers such as the [C II ] 158 μm transition. In this context, we studied the well-known J1000+0234 system at z = 4.54 that hosts a massive dusty star-forming galaxy (DSFG), a UV-bright companion, and a Ly α blob. We combined new ALMA [C II ] line observations taken by the CRISTAL survey with data from previous programs targeting the J1000+0234 system, and achieved a deep view into a DSFG and its rich environment at a 0″​​​. 2 = 1.3 kpc resolution. We identified an elongated [C II ]-emitting structure with a projected size of 15 kpc stemming from the bright DSFG at the center of the field, with no clear counterpart at any other wavelength. The plume is oriented ≈40° away from the minor axis of the DSFG, and shows significant spatial variation of its spectral parameters. In particular, the [C II ] emission shifts from 180 km s −1 to 400 km s −1 between the bottom and top of the plume, relative to the DSFG’s systemic velocity. At the same time, the line width starts at 400 − 600 km s −1 but narrows down to 190 km s −1 at the top end of the plume. We discuss four possible scenarios to interpret the [C II ] plume: a conical outflow, a cold accretion stream, ram pressure stripping, and gravitational interactions. While we cannot strongly rule out any of these with the available data, we disfavor the ram pressure stripping scenario due to the requirement of special hydrodynamic conditions.

Abstract SPT2349−56 is a protocluster discovered in the 2500 deg 2 South Pole Telescope (SPT) survey. In this paper, we study the kinematics of the galaxies found in the core of SPT2349−56 using high-resolution (1.55 kpc spatial resolution at z = 4.303) redshifted [C ii ] 158 μ m data. Using the publicly available code 3D BAROLO , we analyze the seven far-infrared brightest galaxies within the protocluster core. Based on conventional definitions for the detection of rotating disks, we classify six sources to be rotating disks in an actively star-forming protocluster environment, with weighted mean V rot / σ disp = 4.5 ± 1.3. The weighted mean rotation velocity ( V ro t ) and velocity dispersion ( σ disp ) for the sample are 357.1 ± 114.7 km s −1 and 43.5 ± 23.5 km s −1 , respectively. We also assess the disk stability of the galaxies and find a mean Toomre parameter of Q T = 0.9 ± 0.3. The galaxies show a mild positive correlation between disk stability and dynamical support. Using the position–velocity maps, we find that five sources further classify as disturbed disks, and one classifies as a strictly rotating disk. Our sample joins several observations at similar redshift with high V / σ values, with the exception that they are morphologically disturbed, kinematically rotating, and interacting galaxies in an extreme protocluster environment.

Galaxy protoclusters are sites of rapid growth, with a high density of massive galaxies driving elevated global rates of star formation and accretion onto supermassive black holes. Here, we present new JWST/NIRSpec IFU observations of the J1000+0234 group at $z=4.54$, a dense region of a protocluster hosting a massive, dusty star forming galaxy (DSFG) with a low-luminosity radio counterpart. The new data reveal two extended, high-equivalent-width (EW$_0> angstrom nebulae that appear either side of the DSFG along its minor axis (namely O3-N and O3-S). On one hand, the spectrum of O3-N shows a prominent, broad, and blueshifted component with a full width at half maximum (FWHM) of $ second $ , suggesting an outflow origin. On the other hand, O3-S stretches over parsec and has a velocity gradient that spans second but shows no evidence of a broad component. However, both sources seem to be powered at least partially by an active galactic nucleus (AGN), and so we classified them as extended emission-line regions (EELRs). The strongest evidence comes from the detection of the high-ionization Ne v line toward O3-N, which paired with the non-detection of hard X-rays implies an obscuring column density above the Compton-thick regime. The Ne\ v line is not detected in O3-S, but we measure a He II which is well above the expectation for star formation. Despite the remarkable alignment of O3-N and O3-S with the radio sources, we do not find evidence of shocks from a radio jet that could be powering the EELRs. We interpret this as O3-S being externally irradiated by the AGN, akin to the famous Hanny’s Voorwerp object in the local Universe. In addition, more classical line ratio diagnostics (e.g. vs N\ ii put the DSFG itself in the AGN region of the diagrams, and therefore suggest it to be the most probable AGN host. These results showcase the ability of JWST to unveil highly obscured AGN at high redshifts.

Abstract Using a combination of Hubble Space Telescope (HST), JWST, and Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) data, we perform spatially resolved spectral energy distributions (SED) fitting of fourteen 4 < z < 6 ultraviolet (UV)-selected main-sequence galaxies targeted by the ALMA Large Program [C ii ] Resolved ISM in Star-forming Galaxies. We consistently model the emission from stars and dust in ∼0.5–1 kpc spatial bins to obtain maps of their physical properties. We find no offsets between the stellar masses ( M * ) and star formation rates (SFRs) derived from their global emission and those from adding up the values in our spatial bins, suggesting there is no bias of outshining by young stars on the derived global properties. We show that ALMA observations are important to derive robust parameter maps because they reduce the uncertainties in L dust (hence, A V and SFR). Using these maps, we explore the resolved star-forming main sequence for z ∼ 5 galaxies, finding that this relation persists in typical star-forming galaxies in the early Universe. We find less obscured star formation where the M * (and SFR) surface densities are highest, typically in the central regions, contrary to the global relation between these parameters. We speculate this could be caused by feedback driving gas and dust out of these regions. However, more observations of IR luminosities with ALMA are needed to verify this. Finally, we test empirical SFR prescriptions based on the UV+IR and [C ii ] line luminosity, finding they work well at the scales probed (approximately kiloparsec). Our work demonstrates the usefulness of joint HST-, JWST-, and ALMA-resolved SED modeling analyses at high redshift.

Abstract Poststarburst galaxies (PSBs) are young quiescent galaxies that have recently experienced a rapid decrease in star formation, allowing us to probe the fast-quenching period of galaxy evolution. In this work, we obtained Hubble Space Telescope (HST)/WFC3 F110W imaging to measure the sizes of 171 massive ( log ( M * / M ⊙ ) ∼  11 ) spectroscopically identified PSBs at 1 < z 1.3 selected from the DESI Survey Validation luminous red galaxy sample. This statistical sample constitutes an order of magnitude increase from the ∼20 PSBs with space-based imaging and deep spectroscopy. We perform structural fitting of the target galaxies with pysersic and compare them to quiescent and star-forming galaxies in the 3D-HST survey. We find that these PSBs are more compact than the general population of quiescent galaxies, lying systematically ∼0.1 dex below the established size–mass relation. However, their central surface mass densities are similar to those of their quiescent counterparts (  log ( Σ 1 kpc / ( M ⊙   kpc − 2  ) ) ∼ 10.1 ). These findings are easily reconciled by later ex situ growth via minor mergers or a slight progenitor bias. These PSBs are round in projection ( b / a median ∼ 0.8), suggesting that they are primarily spheroids, not disks, in 3D. We find no correlation between the time since quenching and light-weighted PSB sizes or central densities. This disfavors apparent structural growth due to the fading of centralized starbursts in this galaxy population. Instead, we posit that the fast quenching of massive galaxies at this epoch occurs preferentially in galaxies with preexisting compact structures.