[論文レビュー] A Steep Decline in the Galaxy Space Density Beyond Redshift 9 in the CANUCS UV Luminosity Function

Chris J. Willott, G. Desprez+16 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、CANUCS領域内の5つの高赤方偏移視線に対して、深さのあるJWST NIRCam調査を実施し、z > 7.5の158個の銀河を、信頼性の高い光度赤方偏移を用いて同定した。z ≈ 10を超える領域では銀河空間密度が急激に低下しており、z > 10の銀河は8個、z > 12.5の銀河は存在しない。これは、宇宙の視線方向に初期銀河密度の固有のばらつきがあることを示唆し、微調整を必要としない標準的な初期銀河形成モデルを支持する。

ABSTRACT

We present a new sample of 158 galaxies at redshift $z>7.5$ selected from deep \jwst\ NIRCam imaging of five widely-separated sightlines in the CANUCS survey. Two-thirds of the pointings and 80\% of the galaxies are covered by 12 to 14 NIRCam filters, including seven to nine medium bands, providing accurate photometric redshifts and robustness against low redshift interlopers. A sample of 28 galaxies at $z>7.5$ with spectroscopic redshifts shows a low systematic offset and scatter in the difference between photometric and spectroscopic redshifts. We derive the galaxy UV luminosity function at redshifts 8 to 12, finding a slightly higher normalization than previously seen with \hst\ at redshifts 8 to 10. We observe a steeper decline in the galaxy space density from $z=8$ to $12$ than found by most \jwst\ Cycle 1 studies. In particular, we find only eight galaxies at $z>10$ and none at $z>12.5$, with no $z>10$ galaxies brighter than F277W AB=28 or $M_{ m UV}=-20$ in our unmasked, delensed survey area of 53.4 square arcminutes. We attribute the lack of bright $z>10$ galaxies in CANUCS compared to GLASS and CEERS to intrinsic variance in the galaxy density along different sightlines. The evolution in the CANUCS luminosity function between $z=8$ and $12$ is comparable to that predicted by simulations that assume a standard star formation efficiency, without invoking any special adjustments.

研究の動機と目的

• JWST NIRCamの深さのある画像を用いて、z = 8–12の高赤方偏移銀河のUV絶対等級関数を測定すること。
• 多バンド光度測定と分光的検証を用いて、z > 7.5の銀河における光度赤方偏移の信頼性を評価すること。
• 他のJWST調査と比較することで、異なる視線方向における初期銀河密度の宇宙的ばらつきを調査すること。
• z ≈ 10を超える領域での銀河空間密度の低下が、標準的宇宙論的シミュレーションと整合しているかどうかを検証すること。
• 重力レンズ効果と調査の深さが、暗い高赤方偏移銀河の検出に与える影響を評価すること。

提案手法

• CANUCS調査の5つの広く離れた視線において、12–14バンド（中帯域を含む）の深さのあるNIRCam画像を、合計53.4平方秒角の領域で取得した。
• 各銀河について、最大尤度推定と中央値確率分布推定を用いて、EAZY-pyコードを用いて光度赤方偏移を導出した。
• NIRSpecからの分光的赤方偏移を用いて、光度赤方偏移の精度を検証した。その結果、低分散とわずかな系統的ずれが確認された。
• 重力レンズの増幅補正を施した上で、z > 7.5の158個の銀河の全サンプルを用いてUV絶対等級関数を構築した。
• 赤方偏移3つのチャンクに分けてNIRCam画像を中央値スタッキングし、赤方偏移の割り当てを確認し、Lymanブレイク特徴を検出するための手法を実施した。
• GLASSやCEERSなどの他のJWST調査と比較することで、z > 10における銀河密度の宇宙的ばらつきを評価した。

Figure 1: NIRSpec prism spectra for the six CANUCS galaxies in the sample used for the luminosity function in this paper. Each upper panel shows the nodded, background-subtracted two-dimensional spectrum on an inverse scale, so positive flux appears dark in the central region and light in the two of

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JWSTによって測定されたz = 8から12の銀河のUV絶対等級関数の形状はどのようなものか？
• RQ2 銀河空間密度はz = 8からz = 12にかけてどのように変化し、これまで報告されたものよりも急激に減少するのか？
• RQ3 深さのある画像にもかかわらず、CANUCSでz > 10の明るい銀河（F277W AB < 28 または M_UV < -20）が検出されないのはなぜか？
• RQ4 z > 10における観測された低銀河密度は、物理的プロセスの結果であるのか、それとも宇宙的ばらつきの影響によるものなのか、その程度はいかほどか？
• RQ5 z = 8からz = 12にかけて観測された絶対等級関数の進化は、標準的な宇宙論的シミュレーションと整合しており、典型的な星形成効率を仮定した場合に一致するか？

主な発見

• z = 8–12におけるUV絶対等級関数の正規化は、z = 8–10における従来のハッブルベースの推定値よりもわずかに高い。
• z = 8からz = 12にかけての銀河空間密度の低下は、他のJWSTサイクル1研究と比較してより急激である。
• マスク解除済みでレンズ補正済みの53.4平方秒角の調査領域内で、z > 10の銀河は8個、z > 12.5の銀河は存在しなかった。
• F277W AB = 28 より明るい、または M_UV = -20 より明るいz > 10の銀河は検出されなかったため、絶対等級関数の明るい端での急激な低下が示唆された。
• GLASS や CEERS と比較して、CANUCSではz > 10の明るい銀河が検出されないのは、異なる視線方向における固有の宇宙的ばらつきによるものとされる。
• z = 8からz = 12にかけての絶対等級関数の進化は、標準的な星形成効率を仮定したシミュレーションと整合しており、特別な調整は必要ない。

Figure 2: NIRSpec spectroscopic redshifts for 28 CANUCS galaxies with expected photometric redshifts $z_{\rm phot\_ML}\raisebox{-2.58334pt}{$\,\stackrel{{\scriptstyle\raisebox{-0.60275pt}{$\textstyle>$}}}{{\sim}}\,$}7.5$ . Only 6 of the 28 galaxies (blue symbols) are from the NCF or CLU NIRCam modul