[論文レビュー] A JWST/NIRCam Study of Key Contributors to Reionization: The Star-forming and Ionizing Properties of UV-faint $z\sim7-8$ Galaxies

Ryan Endsley, Daniel P. Stark+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、CEERS調査のJWST/NIRCamデータを用いて、116個のUVがきわめて明るくない$z\sim7-8$銀河を分析し、それらが若く低質量の星形成集団を有しており、中央の星形成速度（sSFR）の中央値が103 Gyr$^{-1}$で高く、電離効率も高い（中央値$\xi_{\mathrm{ion}} = 10^{25.7}$ erg$^{-1}$ Hz）ことを明らかにした。高いsSFRにもかかわらず、ネーブルラインの発光は弱く、低金属量（$\lesssim$ 3% $Z_\odot$）、高い電離光子脱出率、または断続的な星形成が原因である可能性がある。

ABSTRACT

Spitzer/IRAC imaging has revealed that the brightest $z\sim7-8$ galaxies often exhibit young ages and strong nebular line emission, hinting at high ionizing efficiency among early galaxies. However, IRAC's limited sensitivity has long hindered efforts to study the fainter, more numerous population often thought largely responsible for reionization. Here we use CEERS JWST/NIRCam data to characterize 116 UV-faint (median M$_{UV}=-19.5$) $z\sim6.5-8$ galaxies. The SEDs are typically dominated by young ($\sim$10-50 Myr), low-mass ($M_\ast\sim10^8\ M_\odot$) stellar populations, and we find no need for extremely high stellar masses ($\sim10^{11} M_\odot$). Considering previous studies of UV-bright (M$_{UV}\sim-22$) $z\sim7-8$ galaxies, we find evidence for a strong (5-10$ imes$) increase in specific star formation rate toward lower luminosities (median sSFR=103 Gyr$^{-1}$ in CEERS). The larger sSFRs imply a more dominant contribution from OB stars in the relatively numerous UV-faint population, perhaps suggesting that these galaxies are very efficient ionizing agents (median $ξ_{ion}=10^{25.7}$ erg$^{-1}$ Hz). In spite of their much larger sSFRs, we find no significant increase in [OIII]$+$H$β$ EWs towards fainter M$_{UV}$ (median $\approx$780 $\mathring{A}$). If confirmed, this may indicate that a substantial fraction of our CEERS galaxies possess extremely low metallicities ($\lesssim$3% $Z_\odot$) where [OIII] emission is suppressed. Alternatively, high ionizing photon escape fractions or bursty star formation histories can also weaken the nebular lines in a subset of our CEERS galaxies. While the majority of our objects are very blue (median $β=-2.0$), we identify a significant tail of very dusty galaxies ($β\sim-1$) at $\approx$0.5$L_{UV}^\ast$ which may contribute significantly to the $z\sim7-8$ star formation rate density.

研究の動機と目的

• 再イオン化を主導すると考えられるが、観測的制限のため未だ十分に研究されていないUVがきわめて明るくない$z\sim7-8$銀河の星形成および電離特性を特徴づけること。
• Spitzer/IRACの感度限界を克服するため、深紫外のJWST/NIRCam画像を用いて、明るくない高赤方偏移銀河のrest-optical SEDを調査すること。
• これらの明るくない銀河が若く低質量の星形成集団を有しており、高い電離効率を示すかどうかを特定し、宇宙再イオン化の主な貢献者である可能性を検証すること。
• 高いsSFRにもかかわらずネーブルライン発光（例：[OIII]+H$\beta$）が弱い理由を、低金属量、高い脱出率、または断続的な星形成といった物理的条件から考察すること。
• ほどの赤く、ほんのやや赤い銀河（$\approx$ 0.5 $L_{\mathrm{UV}}^\ast$）におけるダストや遮蔽星形成の役割を評価すること、特にそのような銀河集団における星形成率密度への寄与を明らかにすること。

提案手法

• CEERS調査の深紫外NIRCam画像を用いて、中央値$M_{\mathrm{UV}} = -19.5$を示す116個の$z\sim6.5-8$銀河を特定し、光度測定を実施した。
• BEAGLEコードを用い、FSPS星形成集団合成モデルを用いてSEDフィッティングを行い、星質量、年齢、金属量、星形成歴を導出した。
• 最良のSEDフィットに従い、電離光子生成効率（$\xi_{\mathrm{ion}}$）を、電離光子の放射度とUV放射度の比から計算した。
• ダスト含量や電離状態を推定するために、UV連続スペクトルの傾き（$\beta$）とネーブルラインの等価幅（EW）を分析した。
• 極端な光度超過を説明するための代替モデルとして、AGN寄与の可能性を検討した。
• 階層ベイズ推論を用い、ネステッドサンプリング（MultiNest）を用いて物理的パラメータの全事後分布を探索した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JWST/NIRCamによるSEDから明らかになる、UVがきわめて明るくない$z\sim7-8$銀河の星形成集団特性（年齢、質量、金属量）は何か？
• RQ2 UVがきわめて明るい銀河と比較して、UVがきわめて明るくない銀河のsSFRはどのように異なるのか？ これは電離効率にどのような示唆をもたらすか？
• RQ3 高いsSFRにもかかわらず、ネーブルライン発光（[OIII]+H$\beta$）が弱いのはなぜか？ 低金属量、高い脱出率といった物理的条件がその理由であるとすれば、どのような説明が可能か？
• RQ4 明るく赤い$z\sim7$銀河集団における遮蔽星形成はどの程度存在するのか？ また、星形成率密度にどの程度寄与しているか？
• RQ5 一部の銀河に見られる極端な光度超過は、単に星形成集団モデルでは説明できないが、AGN活動によって説明可能か？

主な発見

• 116個のUVがきわめて明るくない$z\sim7-8$銀河の中央値星質量は$10^{7.9}\,M_\odot$であり、それらのSEDを説明するには、極めて巨大なシステム（$\sim10^{11}\,M_\odot$）を仮定する必要はなかった。
• 中央値sSFRは$103\,\mathrm{Gyr}^{-1}$であり、明るい$z\sim7-8$銀河と比較して、明るさが低いほどsSFRが5～10倍も高くなる傾向があることが示唆された。
• 中央値電離光子生成効率（$\xi_{\mathrm{ion}}$）は$10^{25.7}\,\mathrm{erg}^{-1}\,\mathrm{Hz}$であり、これらの銀河が非常に効率的な電離源である可能性を示している。
• 高いsSFRにもかかわらず、中央値[OIII]+H$\beta$等価幅はわずか$\approx780\,\AA$であり、低金属量（$\lesssim3\%\,Z_\odot$）や高い電離光子脱出率によってネーブルライン発光が抑制されている可能性がある。
• 約0.5 $L_{\mathrm{UV}}^\ast$の銀河3個は非常に赤いUV傾き（$\beta\approx-1$）を示し、強くダストで赤くされており、サンプル全体の星質量増加の19%を占めているが、サンプル全体の3%に過ぎない。
• 非常に赤く明るい$z\sim7$銀河1個は、長波長フィルターで光度超過を示しており、非常に若いSED（$\sim4\,\mathrm{Myr}$）とAGN寄与の可能性を示唆しており、星質量の解は星形成歴の仮定に応じて$10^{8.6}$から$10^{10.6}\,M_\odot$の範囲にわたった。