[論文レビュー] Constraining the physical properties of the first lensed $z\sim10-16$ galaxy candidates with JWST

Lukas J. Furtak, Marko Shuntov+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、JWSTの近赤外光度およびBEAGLEツールを用いたSEDフィッティングを用いて、SMACS J0723.3-7327における10個の重力レンズ効果を受ける$z\sim9$--$16$銀河候補の物理的性質を制限した。その結果、それらは低い恒星質量（$M_\star\sim10^7$--$10^8\,M_\odot$）、若い年齢（$t_{\rm age}\sim10$--$100$ Myr）、極めて低い-dust減光（$A_V\lesssim0.02$）、非常に青いUV傾き（$\beta\sim-3$）を示しており、著しく進行中の星形成を示しており、$M_\star$--$M_{\rm UV}$--傾きまたはsSFR関係における赤方偏移の顕著な変化がないことが示された。

ABSTRACT

The first deep-field observations of the JWST have immediately yielded a surprisingly large number of very high redshift candidates, pushing the frontier of observability well beyond $z\gtrsim10$. We here present a detailed SED-fitting analysis of the 15 gravitationally lensed $z\sim10-16$ galaxy candidates detected behind the galaxy cluster SMACS J0723.3-7327 in Atek et al. (2022) using the BEAGLE tool. Our analysis makes use of dynamical considerations to place limits on the ages of these galaxies and of all three published SL models of the cluster to account for lensing systematics. We find these galaxies to have relatively low stellar masses $M_{\star}\sim10^7-10^8\,\mathrm{M}_{\odot}$ and young ages $t_{\mathrm{age}}\sim10-100$\,Myr. Due to their very blue UV-slopes, down to $β\sim-3$, all of the galaxies in our sample have extremely low dust attenuations $A_V\lesssim0.02$. Placing the measured parameters into relation, we find a very shallow $M_{\star}-M_{\mathrm{UV}}$-slope and high sSFRs above the main sequence of star-formation with no significant redshift-evolution in either relation. This is in agreement with the bright UV luminosities measured for these objects and indicates that we are naturally selecting galaxies that are currently undergoing a star-bursting episode at the time they are observed. Finally, we discuss the robustness of our high-redshift galaxy sample regarding low-redshift interlopers and conclude that low-redshift solutions can safely be ruled out for roughly half of the sample, including the highest-redshift galaxies at $z\sim12-16$. These objects represent compelling targets for spectroscopic follow-up observations with JWST and ALMA.

研究の動機と目的

• JWSTの初期深宇宙フィールドで検出された最初の高赤方偏移銀河候補の物理的性質を的確に制限すること。
• 動的年齢制約と複数の強いレンズモデルを組み込むことで、光度赤方偏移およびSEDフィッティングにおけるパラメータのデゲネラシーを解消すること。
• 光度的特徴を用いて低赤方偏移の混入者による影響を評価し、高赤方偏移解の信頼性を検証すること。
• 観測された性質が$z\gtrsim10$における星形成歴および銀河形成モデルに与える意味を評価すること。

提案手法

• SMACS J0723.3-7327における10個のレンズ効果を受ける$z\sim9$--$16$候補に対して、EROおよびERSプログラムのJWST光度を用いてBEAGLEコードによるSEDフィッティングを実施した。
• 歪みの影響および源面再構築における系の不確実性を考慮するため、3つの独立した強いレンズモデルを組み込んだ。
• 初期宇宙の時空的整合性を保つために、銀河の最小年齢を動的考察を用いて制約した。
• UV連続スペクトル傾き（$\beta$）およびバルマー遮断検出を高赤方偏移の強力な指標として用い、低赤方偏移の混入リスクを最小限に抑えた。
• 観測された$M_\star$--$M_{\rm UV}$--傾きおよびsSFR関係を星形成のメインシーケンスと比較し、進化傾向を評価した。
• 理論的ハロ質量関数と照らし合わせて$z\sim16$銀河の数密度を評価し、星形成効率（$\epsilon_{\rm SF}$）を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JWSTが最初に検出したレンズ効果を受ける$z\sim9$--$16$銀河候補の恒星質量、年齢、ダスト含量、星形成率は何か？
• RQ2 低赤方偏移の混入者シナリオに対して、高赤方偏移の光度的解はどの程度頑健か？
• RQ3 観測されたUV傾きおよびバルマー遮断検出は、これらの銀河が高赤方偏移にあるという主張をどの程度支持するか？
• RQ4 $z\sim9$--$16$の範囲で$M_\star$--$M_{\rm UV}$--傾きまたはsSFR関係に顕著な進化が見られるか？
• RQ5 $z\sim16$銀河の観測された数密度を説明するには、どの程度の星形成効率（$\epsilon_{\rm SF}$）が必要か？

主な発見

• 10個のレンズ効果を受ける$z\sim9$--$16$銀河候補の大部分は、$M_\star\sim10^7$--$10^8\,M_\odot$の低い恒星質量と、$t_{\rm age}\sim10$--$100$ Myrの若い年齢を示している。
• すべての銀河が極めて青いUV傾き（$\beta\sim-3$）を示しており、これは極めて低いダスト減光（$A_V\lesssim0.02$）を示している。
• 一部の候補は$z\sim9$--$10$におけるバルマー遮断検出により、より進化した恒星集団を示す高めの恒星質量（$M_\star\sim10^9$--$10^{10}\,M_\odot$）を示している。
• $M_\star$--$M_{\rm UV}$--傾き関係は非常に浅く、sSFRは非常に高く、メインシーケンスを上回っており、赤方偏移の顕著な変化はない。
• サンプルの半数、特に最高赤方偏移候補のSMACS_z16a（$z_{\rm phot}\simeq15.93$）は、極めて青いUV傾き（$\beta\lesssim-2.5$）またはバルマー遮断検出のおかげで高赤方偏移であると高信頼性で特定された。
• 理論的期待値と整合するためには、$z\sim16$銀河の推定数密度は高い星形成効率（$\epsilon_{\rm SF}\sim0.15$）を要するが、これは低赤方偏移域よりも高い。