[論文レビュー] A core in a star-forming disc as evidence of inside-out growth in the early Universe

William Baker, Sandro Tacchella+37 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、z ≈ 7.43 の高赤方偏移銀河 JADES-GS+53.18343-27.79097 を報告する。この銀河は、144 pc の半光半径を有するコンパクトなコアと、468 pc のより広がった星形成ディスクを有しており、それぞれ異なる星形成歴を示す。外縁に向かって上昇する単位質量あたりの星形成率は、初期宇宙におけるインサイドアウト成長の直接的証拠を示し、再電離時代における階層的銀河形成モデルを支持する。

ABSTRACT

The physical processes that establish the morphological evolution and the structural diversity of galaxies are key unknowns in extragalactic astrophysics. Here we report the finding of the morphologically-mature galaxy JADES-GS+53.18343-27.79097, which existed within the first 700 million years of the Universe's history. This star-forming galaxy with a stellar mass of 400 million solar masses consists of three components, a highly-compact core with a half-light radius of less than 100 pc, an actively star-forming disc with a radius of about 400 pc, and a star-forming clump, which all show distinctive star-formation histories. The central stellar mass density of this galaxy is within a factor of two of the most massive present-day ellipticals, while being globally 1000 times less massive. The radial profile of the specific star-formation rate is rising toward the outskirts. This evidence suggests the first detection of inside-out growth of a galaxy as a proto-bulge and a star-forming disc in the Epoch of Reionization.

研究の動機と目的

• 再電離時代における高赤方偏移銀河の構造的および星形成的性質を調査すること。
• 宇宙の夜明け期に、形態的進化およびインサイドアウト成長が既に進行しているかどうかを特定すること。
• 現在の銀河における観測された構造的多様性が、初期の形成過程に遡れるかどうかを検証すること。
• フィードバックおよびガス流入が初期銀河構造をどのように形作っているかを制約すること。

提案手法

• JADES-GS+53.18343-27.79097 の星間物質およびイオン化ガス成分を空間的に分解するため、深紫外の JWST/NIRSpec スペクトロスコピーおよび画像を用いた。
• 星形成とAGN活動を区別するために、チルト補正済みの発光線診断（BPT図）を適用した。
• ProspectorおよびFSPSを用いたSEDフィッティングにより、星の質量、星形成歴、星の集団パラメータを導出した。
• 高分解能の光度測定から半光半径およびSérsic指数を測定し、コンパクトコアと拡張ディスクの特徴を明らかにした。
• 単位質量あたりの星形成率の半径方向プロファイルを分析し、成長様式を評価した。
• 動力学的モデリングおよび光度的デコンボリューションを用いて、源の重ね合わせの影響を克服し、構造的成分を解明した。

Figure 1: Upper left panel: A red-green-blue (F444W-F410M-F277W) image of the galaxy, where the central core and disc are prominent. A 1-kpc size bar (corresponding to 0.19 arcsec), the F444W PSF and the position of the NIRSpec slit are overplotted. Upper right panel: the total radial (azimuthally a

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 7.43 における活発な星形成ディスクに、初期の構造的熟成を示すコンパクトで高密度なコアが存在するか？
• RQ2 この銀河の単位質量あたりの星形成率が、インサイドアウト成長モデルが予測するように半径方向に増加しているか？
• RQ3 観測された形態と星形成歴は、星形成のみで説明可能か、それともAGN活動が必要か？
• RQ4 このコアの星の質量密度は、総質量が小さいにもかかわらず、現在の巨大楕円銀河とどの程度類似しているか？
• RQ5 フィードバックプロセスおよびガス流入が、初期銀河の成長をどの程度制御しているか？

主な発見

• 銀河 JADES-GS+53.18343-27.79097 は、デコンボリューションされた半光半径が144 pc で、Sérsic 指数が2.5 のコンパクトコアを有しており、これは古典的星集団を示している。
• このコアの星の質量密度は、現在の最大の楕円銀河と比較して2倍以内であり、銀河全体の質量がたとえ 10^8.6 太陽質量と低くても同様である。
• この銀河は、半径468 pc の強力な星形成ディスクを有しており、コアとは明確に異なる星形成歴を示している。
• 単位質量あたりの星形成率の半径方向プロファイルは外縁に向かって上昇しており、インサイドアウト成長の直接的証拠を提供する。
• 発光線診断（BPTおよびR2/R3比）により、イオン化ガスの発光がAGN活動ではなく星形成に起因することを確認した。
• この銀河の構造的および運動的性質は、高角運動量ガスが時間経過とともに拡張ディスクに沈殿するという階層的銀河形成モデルと整合的である。

Figure 2: Spectral energy distribution (SED) fits for the disc (upper left), core (upper right), and clump (lower left) components. The yellow points show the photometry inferred from the ForcePho modelling, while the 2 $\sigma$ upper limits are indicated as downward pointing arrows. The open square