[論文レビュー] Accelerated Formation of Ultra-Massive Galaxies in the First Billion Years

Mengyuan Xiao, Pascal A. Oesch+36 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、JWST FRESCO による zspec 5–9 のスペクトroscopy によって確認された 36 の光学的に暗い/低輝度銀河を提示し、z~5.5 の M* > 10^11 Msun の超大質量系を3つ含む。初期宇宙における星形成効率が異常に高いことを示唆する。

ABSTRACT

Recent JWST observations have revealed an unexpected abundance of massive galaxy candidates in the early Universe, extending further in redshift and to lower luminosity than what had previously been found by sub-millimeter surveys. These JWST candidates have been interpreted as challenging the $Λ$CDM cosmology, but, so far, they have mostly relied only on rest-frame ultraviolet data and lacked spectroscopic confirmation of their redshifts. Here we report a systematic study of 36 massive dust-obscured galaxies with spectroscopic redshifts between $z_{ m spec}=5-9$ from the JWST FRESCO survey. We find no tension with the $Λ$CDM model in our sample. However, three ultra-massive galaxies (log$M_{\star}/M_{\odot}$ $\gtrsim11.0$) require an exceptional fraction of 50% of baryons converted into stars -- two to three times higher than even the most efficient galaxies at later epochs. The contribution from an active nucleus is unlikely because of their extended emission. Ultra-massive galaxies account for as much as 17% of the total cosmic star formation rate density at $z\sim5-6$.

研究の動機と目的

• JWST FRESCO からの頑健なスペクトroscopic redshifts を用いて、z > 5 における塵に覆われた高質量銀河の集団の existence を示す。
• 光学的に暗い/低輝度銀河の恒星質量、星形成率、塵の性質を定量化し、初期宇宙の星形成における役割を評価する。
• 高赤方偏移での超高質量銀河が、現在の銀河形成モデルやハロー-バリオン変換効率に適合するか、あるいは挑戦を与えるかを評価する。

提案手法

• JWST FRESCO の NIRCam 照合とグリズム分光を用いて、赤色と強い発光線により光学的に暗い/低輝度銀河を同定する。
• F444W のグリズムデータ中の Hα + NII + SII または OIII + Hβ の線から zspec を取得する（zspec 約 4.9–9.0）。
• zspec を固定して、BAGPIPES および CIGALE を用いた発光線を引いた UV–NIR 觀 photometry の SED フィッティングを実施し、M* と SFR を導出する。
• 発光線汚染を補正して F444W の光度を修正し、星の連続体を回復する。
• 利用可能な場合、補助的な HST/JWST 画像および far-infrared/mm データ（ALMA GOODS-ALMA）と照合して、塵と星形成特性を制約する。
• 観測された超高質量系をハロ質量関数予測と比較して、バリオンから星への変換効率を推定する。

Figure 1: Images and Spectra of the three optically dark, ultra-massive galaxies from the JWST FRESCO survey. From left to right: 4 ′′ $\times$ 4 ′′ stamps obtained in JWST/NIRCam filters (1.82 $\mu$ m, 2.10 $\mu$ m, and 4.44 $\mu$ m), RGB images (F182M in blue, F210M in green, and F444W in red), H

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRESCO サーベイで JWST によって発見された光学的に暗い/低輝度銀河の赤方偏移分布と質量範囲は何か。
• RQ2 z ~ 5–6 において M* > 10^11 Msun の超高質量銀河は存在するか、そしてそれはどのようなバリオンから星への変換効率を示唆するか。
• RQ3 これらの銀河の塵と星形成特性は、形成機構やAGN の寄与の可能性をどのように示唆しているか。
• RQ4 そのような超高質量系は、標準的な Lambda-CDM のハロ質量関数および観測された最大の星形成効率と適合するか。
• RQ5 高赤方偏移での宇宙全体の星形成率密度に対する、光学的に暗い/低輝度銀河の寄与はどれくらいか。

主な発見

• zspec 5–9 でスペクトroscopic に確認された 36 銀河を検出。質量は log(M*/Msun) = 8.3–11.4 の範囲。
• zspec ~5.5 の超高質量銀河が3つあり、log(M*/Msun) > 11.0、平均して約0.5 バリオンが恒星へ変換されることを意味し、低赤方偏移での最高効率の2–3倍。
• zspec ~7.5 の追加の2つの超高質量系は、同様に高い効率（ε > 0.2）を示唆するが、質量の制約はより不確か。
• z ~5.5 の3つの超高質量銀河は極端に塵に覆われており（AV > 3 mag）、SFR_IR は 625–1137 Msun/yr、星成分に比べて塵放出が拡張している。
• ε > 0.2 を考慮すると、z ~5–6 で観測された超高質量銀河は総宇宙の星形成率密度の最大約20%を占め、初期の星形成が高効率であることを示唆。
• 観測された系は標準的な銀河形成モデルに挑戦し、初期のバリオンから星への変換効率の向上や、別の形成経路（例: トップヘビー IMF や フィードバックなしバースト）を必要とすることを示唆する。

Figure 2: Stellar masses of the three ultra-massive and optically dark galaxies (red-filled large circles) compared to model expectations. The red-filled circles show our whole parent sample of 36 spectroscopically-confirmed optically dark/faint galaxies at $z_{\rm spec}>5$ . Unlike some massive sou