[論文レビュー] An extremely compact, low-mass post-starburst galaxy at $z=5.2$

Victoria Strait, Gabriel Brammer+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、JWST/NIRSpecおよびNIRCamデータを用いて、z=5.2に位置する非常にコンパクトで低質量のポストスターバースト銀河、MACS0417-z5PSBの発見を報告する。星族質量は4.3×10⁷ M☉、静止系UV半光半径は30±7 pcであり、最近の星形成バーストに続く急激な低下を示しており、内部フィードバックによるものと考えられるが、環境的プロセスやAGN活動によるものではない。

ABSTRACT

We report the discovery of a low-mass $z=5.200\pm 0.002$ galaxy that is in the process of ceasing its star formation. The galaxy, MACS0417-z5PSB, is multiply imaged with magnification factors $\sim40$ by the galaxy cluster MACS J0417.5-1154, observed as part of the CAnadian NIRISS Unbiased Cluster Survey (CANUCS). Using observations of MACS0417-z5PSB with a JWST/NIRSpec Prism spectrum and NIRCam imaging, we investigate the mechanism responsible for the cessation of star formation of the galaxy, and speculate about possibilities for its future. Using spectrophotometric fitting, we find a remarkably low stellar mass of $ m{M_*}=4.3\pm^{0.9}_{0.8} imes 10^{7} m{M_{\odot}}$, less than 1% of the characteristic stellar mass at $z\sim5$. We measure a de-lensed rest-UV half-light radius in the source plane of $30\pm^{7}_{5}$ pc, and measure a star formation rate from H$α$ of $0.14\pm^{0.17}_{0.12}$ $ m{M_{\odot}/yr}$. We find that under the assumption of a double power law star formation history, MACS0417-z5PSB has seen a recent rise in star formation, peaking $\sim10-30$ Myr ago and declining precipitously since then. Together, these measurements reveal a low-mass, extremely compact galaxy which is in the process of ceasing star formation. We investigate the possibilities of mechanisms that have led to the cessation of star formation in MACS0417-z5PSB, considering stellar and AGN feedback, and environmental processes. We can likely rule out an AGN and most environmental processes, but leave open the possibility that MACS0417-z5PSB could be a star forming galaxy in the lull of a bursty star formation history.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移（z≈5.2）におけるレアで低質量・コンパクトなポストスターバースト銀河を同定・特徴づけることにより、初期のクエンチング機構を理解すること。
• 高分解能のJWST分光法および画像法を用いて、MACS0417-z5PSBの星形成歴および物理的性質を特定すること。
• クエンチング機構として、内部フィードバック、環境的プロセス、または確率的星形成のいずれが関与しているかを調査すること。
• 特に、高質量系における星形成フィードバックの役割を含め、銀河進化モデル、特にコンパクト静止銀河の形成に関する意味を評価すること。

提案手法

• 星形成率と星族年齢推定のため、Hα線およびバルマー吸収線を測定するためにJWST/NIRSpecのプリズム分光法を用いた。
• 星形成歴に二重累乗則を適用したスペクトル的フィッティングを用い、銀河の形成およびクエンチングのタイムラインをモデル化した。
• 強力な重力レンズ効果（MACS J0417.5-1154）により銀河を増幅し、そのコンパクト構造の高分解能観測を可能にした。
• 複数像成分からのデルレンズ処理を実施し、静止系UVサイズや星族質量などの内在的物理的性質を回復した。
• 観測された性質をシミュレーションおよび理論的モデルと比較することで、AGNフィードバックや環境的クエンチング機構を除外した。
• ALMA [CII]観測および人口統計を用いて、残存ガスの有無や合体歴を評価し、将来的な再生可能性を検討した。

Figure 1: JWST/NIRCam images of MACS0417-z5PSB and nearby system from Asada et al. ( 2022 ) . From left to right: F090W, F200W, F444W, and RGB (red: F356W+F410M+F444W, green: F200W+F277W+F356W, blue: F090W+F115W+F150W) image of MACS0417-z5PSB. All images have 40mas pixels, are non-PSF-homogenized. F

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MACS0417-z5PSBの星形成歴は何か？ そして、最近のバーストとその後の低下はいつ発生したのか？
• RQ2 z=5.2におけるこの低質量・コンパクト銀河の星形成クエンチングを引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ3 MACS0417-z5PSBの極めてコンパクトな構造と低星族質量は、既存の静止銀河形成モデルにどのように挑戦するか？
• RQ4 この銀河は、一時的なバースト的星形成歴の谷間状態にあるだけで、永久的クエンチではないのだろうか？
• RQ5 このような低質量系において、星形成フィードバックやダークマターハローのポテンシャル井戸が、静止状態を維持する役割を果たすのか？

主な発見

• 星族質量は4.3±0.9/0.8×10⁷ M☉であり、z≈5における特徴的質量の1%未満にとどまり、この赤方偏移で観測された中で最も低質量の静止銀河の一つである。
• 源面における静止系UV半光半径は30±7/5 pcであり、極めてコンパクトで高い星族表面密度を示している。
• Hαから導かれた星形成率は0.14±0.17/0.12 M☉/yrであり、最近の短時間にわたるバーストに続く急激な低下と整合的である。
• 分光的モデリングにより、10–30 Myr前に星形成ピークが観測され、その後急速にクエンチングが進行したことが示唆され、ポストスターバースト段階にあると考えられる。
• 幅広い発光線の欠如および周囲に大きな構造が存在しないことから、AGNフィードバックや環境的クエンチング（例：ラムプレッシャー、ハラシオン）は不適切である。
• この銀河はコンパクト静止銀河の前身である可能性があり、残存ガスが存在する場合、ガス降着や合体によって将来的に再生する可能性がある。

Figure 2: Photometrically calibrated observed spectrum (dark gray) with 1- $\sigma$ noise (light gray), and posterior spectrum from BAGPIPES (blue) for MACS0417-z5PSB. Top panel in $f_{\lambda}$ , bottom panel in $f_{\nu}$ . Emission lines labeled in green. Inset is a zoomed-in version of the spectr