[論文レビュー] A JWST investigation into the bar fraction at redshifts 1 < z < 3

Zoe A Le Conte, Dimitri A. Gadotti+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、JWSTの深紫外近赤外画像を用いて、1 ≤ z ≤ 3の円盤銀河におけるバーの割合を測定し、z ≤ 2では約19%、z > 2では約7%に低下することを発見した。結果は、バー駆動型進化が110億年前ごろから既に始まっていたことを示しており、JWSTは、バー内の定常的星族への復元に優れた復元フレーム近赤外感度を有するため、HSTに比べてバー検出率が3–4倍に上昇している。

ABSTRACT

The presence of a stellar bar in a disc galaxy indicates that the galaxy hosts in its main part a dynamically settled disc and that bar-driven processes are taking place in shaping its evolution. Studying the cosmic evolution of the bar fraction in disc galaxies is therefore essential to understand galaxy evolution in general. Previous studies have found, using the Hubble Space Telescope (HST), that the bar fraction significantly declines from the local Universe to redshifts near one. Using the first four pointings from the James Webb Space Telescope (JWST) Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS) and the initial public observations for the Public Release Imaging for Extragalactic Research (PRIMER), we extend the studies of the bar fraction in disc galaxies to redshifts $1 \leq z \leq 3$, i.e., for the first time beyond redshift two. We only use galaxies that are also present in the Cosmic Assembly Near-IR Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) on the Extended Groth Strip (EGS) and Ultra Deep Survey (UDS) HST observations. An optimised sample of 368 close-to-face-on galaxies is visually classified to find the fraction of bars in disc galaxies in two redshift bins: $1 \leq z \leq 2$ and $2 < z \leq 3$. The bar fraction decreases from $\approx 17.8^{+ 5.1}_{- 4.8}$ per cent to $\approx 13.8^{+ 6.5}_{- 5.8}$ per cent (from the lower to the higher redshift bin), but is about twice the bar fraction found using bluer HST filters. Our results show that bar-driven evolution might commence at early cosmic times and that dynamically settled discs are already present at a lookback time of $\sim 11$ Gyrs.

研究の動機と目的

• 赤方偏移1 ≤ z ≤ 3における円盤銀河のバーの割合の宇宙的進化を測定すること。これは、従来のHST研究がz ≈ 1までに留まっていたのを拡張することを目的とする。
• バー駆動型プロセスが、銀河進化を形作る要因であるとされるが、初期宇宙においても既に活動していたかどうかを、高赤方偏移円盤銀河にバーを同定することで検証すること。
• HST（F160W、復元フレーム光学）とJWST（F444W、復元フレーム近赤外）のバー検出効率を比較し、観測波長がバーの可視性に与える影響を評価すること。
• 投影効果と傾きバイアスを最小限に抑えるために、信頼性の高い光度赤方偏移を有する正面視円盤銀河の堅牢な視覚的分類サンプルを確立すること。
• 110億年以上の見かけ時間の過去に、動的におさまった円盤とバーが既に存在していたかどうかを特定し、巨視的構造的進化の早期発生を示唆すること。

提案手法

• JWST CEERSおよびPRIMER調査から選別された銀河で、HST CANDELS（EGSおよびUDS領域）にも含まれるものを選定し、一貫した多波長カバレッジを確保した。
• 縁面方向のシステムを除外するため、傾きカット（i ≤ 60°）を適用し、バーの形態検出における曖昧さを低減した。
• JWST NIRCamの最も長い波長フィルタ（F444W）を用いて、復元フレーム近赤外光を追跡し、バー内の定常的星族への感度を最大化した。
• 5名の共同研究者が、等高線楕円度および位置角プロファイルを用いて、最適化された正面視円盤銀河768個を視覚的分類した。
• 同じ親サンプルにおけるJWST F444WとHST F160Wのバー割合を比較し、波長依存の検出バイアスを定量化した。
• 赤方偏移2区間（1 ≤ z ≤ 2 および 2 < z ≤ 3）におけるバー割合を計算し、信頼性の高い光度赤方偏移と誤差伝搬を適用した。

Figure 1: Elliptical isophotal fits using the module photutils.isophote from Python’s astropy package (Bradley et al., 2022 ) to logarithmic F444W NIRCam images of the galaxy EGS_23205 at redshift $z\sim 2.12$ . The left-hand side shows the F444W image annotated with the pixel coordinates (top) and

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JWSTの復元フレーム近赤外画像を用いて測定した場合、赤方偏移1 ≤ z ≤ 3における円盤銀河のバー割合はどの程度か？
• RQ2 z ≤ 2からz > 2にかけてバー割合はどのように変化するか？また、初期宇宙においては連続的な低下ではなく、平板化する兆しなのか？
• RQ3 復元フレーム近赤外（JWST F444W）での観測は、復元フレーム光学（HST F160W）に比べて、バー検出をどの程度向上させるか？
• RQ4 高赤方偏移銀河におけるバーの最初の検出に基づいて、バー駆動型銀河進化はどの見かけ時間の過去に始まったと考えられるか？
• RQ5 z > 2で、強いバーを有する動的におさまった円盤が既に存在するのか？これは、質量の大きな銀河における構造的進化の早期発生を示唆するか？

主な発見

• 1 ≤ z ≤ 2ではバーの割合が約18.9⁺⁹.⁷₋₉.⁴%、2 < z ≤ 3では約6.6⁺⁷.¹₋₅.⁹%に低下し、赤方偏移の増加に伴い著しく減少していることが示された。
• JWST F444Wは、同じ赤方偏移領域においてHST F160Wに比べてバーの割合を約3–4倍高く検出しており、復元フレーム近赤外画像がバー検出にはるかに効果的であることを示している。
• 本研究では、z ≈ 2.3およびz ≈ 2.8のバー銀河を検出しており、110億年以上の見かけ時間の過去にバーが存在することを確認した。これは、バー駆動型進化が初期宇宙に既に始まっていたことを示唆する。
• 最適化されたサンプルにおける円盤割合は f_D ≈ 0.40 ± 0.14 であり、サンプルの約40%の銀河が円盤的であることを示しており、バー割合の解釈において極めて重要である。
• バー駆動型プロセス（ガスの内向き流入や角運動量再分配）が、z > 2で既に動的におさまった質量の大きな円盤で活動していた可能性が示唆された。
• 本研究は、バー内の定常的星族が復元フレーム近赤外で最もよく追跡できることを確認した。また、従来のHSTベースの研究は、感度および波長の制限により、真のバー割合を低く見積もっていた可能性がある。

Figure 2: Rest-frame NIR logarithmic images of three disc (top row) and non-disc (bottom row) galaxies. The three exemplars for each classification, with IDs in the lower right of the NIRCam F444W image, are shown in the JWST NIRCam F444W (left) and HST WFC3 F160W (right).