[論文レビュー] A Comprehensive Study on Galaxies at z~9-16 Found in the Early JWST Data: UV Luminosity Functions and Cosmic Star-Formation History at the Pre-Reionization Epoch

Yuichi Harikane, Masami Ouchi+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 22

ひとこと要約

本論文は early JWST NIRCam データから z~9-16 の dropout 銀河の安全なサンプル23個を抽出し、UV 光度函数と宇宙の星形成史を導出し、再電離前の星形成への影響を論じる。

ABSTRACT

We conduct a comprehensive study on dropout galaxy candidates at $z\sim9-16$ using the first 90 arcmin$^2$ JWST/NIRCam images taken by the early release observations (ERO) and early release science (ERS) programs. With the JWST simulation images, we find that a number of foreground interlopers are selected with a weak photo-$z$ determination ($Δχ^2>4$). We thus carefully apply a secure photo-$z$ selection criterion ($Δχ^2>9$) and conventional color criteria with confirmations of the ERO NIRSpec spectroscopic redshifts, and obtain a total of 23 dropout galaxies at $z\sim9-16$, including two candidates at $z_\mathrm{phot}=16.25_{-0.46}^{+0.24}$ and $16.41_{-0.55}^{+0.66}$. We perform thorough comparisons of dropout galaxies found in our work with recent JWST studies, and conclude that our galaxy sample is reliable enough for statistical analyses. We derive the UV luminosity functions at $z\sim9-16$, and confirm that our UV luminosity functions at $z\sim 9$ and $12$ agree with those determined by other HST and JWST studies. The cosmic star-formation rate density decreases from $z\sim9$ to $12$, and perhaps to $16$, but the densities at $z\sim12-16$ are higher than the constant star formation efficiency model. Interestingly, there are six bright galaxy candidates at $z\sim10-16$ with $M_\mathrm{UV}<-19.5$ mag and $M_*\sim10^{8-9} M_\odot$. Because a majority ($\sim80$\%) of these galaxies show no signatures of AGNs in their morphologies, the high cosmic star-formation rate densities and the existence of these UV-luminous galaxies are explained by no suppression of star-formation by the UV background radiation at the pre-reionization epoch and/or an efficient UV radiation production by a top-heavy IMF with Population III-like star formation.

研究の動機と目的

• dropout Galaxy 候補を z~9-16 で早期 JWST NIRCam データを用いて特徴づける。
• z~9-16 の UV 光度函数を導出し、以前の HST/JWST の結果と比較する。
• 宇宙の星形成率密度を推定し、モデルと比較する。
• 再電離前のエポックにおける物理的性質と潜在的な星形成効率を評価する。

提案手法

• JWST NIRCam データから ERO および ERS フィールド全体で約 90 arcmin^2 の多波長カタログを構築する。
• F115W, F150W, F200W の dropout を識別するためにカラー基準と PSF マッチング photometry を用いた安全な dropout 選択を適用する。
• Prospector を用いた SED fitting でフォトメトリック赤方偏リを取得し、高-z 解と低-z 距離の偽陽性を分離する Delta chi^2 > 9 を厳格に適用する。
• Delta chi^2 の閾値とサンプル信頼性を検証するために、利用可能な NIRSpec 赤方偏とシミュレーション JWST データと照合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JWST/NIRCam dropouts から推定される z~9, 12, 16 の rest-frame UV 光度函数 は何か。
• RQ2 再電離前エポックにおける z~9 から z~16 への宇宙の星形成率密度はどう進化するのか。
• RQ3 UV 明るく質量のある銀河は z~10-16 に存在するのか、UV 背景下での効率的な星形成と一致するのか。
• RQ4 JWST による結果は一定の星形成効率モデルと整合するのか、挑戦するのか。

主な発見

• z~9-16 の dropout 銀河の安全なサンプル 23 個を同定し、 z_phot ≈ 16.25 および 16.41 の2つの候補を含む。
• z~9 および z~12 の UV 光度函数は他の HST および JWST の研究で決定されたものと一致する。
• z~9 から z~12 およびおそらく z~16 へと宇宙の星形成率密度は低下するが、z~12-16 の密度は一定の星形成効率モデルより高い。
• M_UV < -19.5 mag および M_* ~ 10^8-10^9 Msun に該当する z~10-16 の明るい候補が6件存在し、ほとんどが形態学的に AGN の兆候を示さない。
• UV 背景放射による星形成抑制は再電離前 epoch には見られず、あるいは Population III 風の星形成のようなトップヘビー IMF による効率的な UV 産生が推察される。
• 他の JWST 研究や可能なスペクトル赤方偏と比較することで結果の信頼性を示している。