Recent simulations and observations of massive galaxy cluster evolution predict that the majority of stellar mass build up happens within cluster members by $z=2$, before cluster virialization. Protoclusters rich with dusty, star-forming galaxies (DSFGs) at $z>3$ are the favored candidate progenitors for these massive galaxy clusters at $z\sim0$. We present here the first study analyzing stellar emission along with cold dust and gas continuum emission in a spectroscopically confirmed $z=4.002$ protocluster core rich with DSFGs, the Distant Red Core (DRC). We combine new HST and Spitzer data with existing Gemini, Herschel, and ALMA observations to derive individual galaxy-level properties, and compare them to coeval field and other protocluster galaxies. All of the protocluster members are massive ($>10^{10}$ M$_\odot$), but not significantly more so than their coeval field counterparts. Within uncertainty, all are nearly indistinguishable from galaxies on the star-forming vs. stellar mass main-sequence relationship, and on the star formation efficiency plane. Assuming no future major influx of fresh gas, we estimate that these gaseous DSFGs will deplete their gas reservoirs in $\sim300$ Myr, becoming the massive quiescent ellipticals dominating cluster cores by $z\sim3$. Using various methodologies, we derive a total $z=4$ halo mass of $\sim10^{14}$ M$_\odot$, and estimate that the DRC will evolve to become an ultra-massive cluster core of mass $\gtrsim10^{15}$ M$_\odot$ by $z=0$.

中文翻译：

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在 z = 4 处出现超红、超大质量星系团核心

最近对大规模星系团演化的模拟和观察预测，在星团病毒化之前，大部分恒星质量的积累发生在星团成员内的 $z=2$。在 $z>3$ 处富含尘埃的恒星形成星系 (DSFG) 的原星团是这些 $z\sim0$ 处的大质量星系团的首选候选祖先。我们在此展示了第一项研究，该研究分析了光谱证实的 $z=4.002$ 原星团核心中富含 DSFG 的恒星发射以及冷尘埃和气体连续发射，即遥远的红核 (DRC)。我们将新的 HST 和 Spitzer 数据与现有的 Gemini、Herschel 和 ALMA 观测相结合，以推导出单个星系级别的特性，并将它们与同时期场和其他原星系团进行比较。所有的protocluster成员都是巨大的（$>10^{10}$M$_\odot$），但并不比他们同时代的领域同行明显更多。在不确定性范围内，在恒星形成与恒星质量主序关系以及恒星形成效率平面上，所有星系都几乎无法与星系区分开来。假设未来没有大量新鲜气体流入，我们估计这些气态 DSFG 将耗尽其气藏 $\sim300$Myr，成为以 $z\sim3$ 主导星团核心的巨大静止椭圆。使用各种方法，我们推导出 $\sim10^{14}$M$_\odot$ 的总 $z=4$ 晕质量，并估计 DRC 将演化为质量 $\ 的超大质量星团核心gtrsim10^{15}$ M$_\odot$ 由 $z=0$。并在恒星形成效率平面上。假设未来没有大量新鲜气体流入，我们估计这些气态 DSFG 将耗尽其气藏 $\sim300$Myr，成为以 $z\sim3$ 主导星团核心的巨大静止椭圆。使用各种方法，我们推导出 $\sim10^{14}$M$_\odot$ 的总 $z=4$ 晕质量，并估计 DRC 将演化为质量 $\ 的超大质量星团核心gtrsim10^{15}$ M$_\odot$ 由 $z=0$。并在恒星形成效率平面上。假设未来没有大量新鲜气体流入，我们估计这些气态 DSFG 将耗尽其气藏 $\sim300$Myr，成为以 $z\sim3$ 主导星团核心的巨大静止椭圆。使用各种方法，我们推导出 $\sim10^{14}$M$_\odot$ 的总 $z=4$ 晕质量，并估计 DRC 将演化为质量 $\ 的超大质量星团核心gtrsim10^{15}$ M$_\odot$ 由 $z=0$。