[論文レビュー] Constraints on the Faint End of the Galaxy Stellar Mass Function at z ~ 4-8 from Deep JWST Data

Rafael Navarro-Carrera, Pierluigi Rinaldi+4 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 33被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、HUDFおよびUKIDSS UDS領域の深さのあるJWSTデータを用いて、$z \simeq 4$--$8$の高赤方偏移銀河について、$\sim10^8\,\mathrm{M_\odot}$までの一括された個別星質量推定を初めて信頼性高く得た。銀河星質量関数の明るさの端末傾きが急激に傾き、$z \simeq 7$で$\alpha = -1.98 \pm 0.14$となり、正規化の著しい進化も示された。これは、質量および赤方偏移に依存する誤差の歪度を考慮した新規のEddingtonバイアス補正を用いて得られたものである。

ABSTRACT

We analyze a sample of 3300 galaxies between redshifts z~3.5 and z~8.5 selected from JWST images in the Hubble Ultra Deep Field (HUDF) and UKIDSS Ultra Deep Survey field, including objects with stellar masses as low as ~ 10^8 Msun up to z~8. The depth and wavelength coverage of the JWST data allow us, for the first time, to derive robust stellar masses for such high-z, low stellar-mass galaxies on an individual basis. We compute the galaxy stellar mass function (GSMF), after complementing our sample with ancillary data from CANDELS to constrain the GMSF at high stellar masses (M > M*). Our results show a steepening of the low stellar-mass end slope (a) with redshift, with a = -1.61 (+/-0.05) at z~4 and a = -1.98 (+/-0.14) at z~7. We also observe an evolution of the normalization phi* from z~7 to z~4, with phi*(z~4)/phi*(z~7)= 130 (+210/-50). Our study incorporates a novel method for the estimation of the Eddington bias that takes into account its possible dependence both on stellar mass and redshift, while allowing for skewness in the error distribution. We finally compute the resulting cosmic stellar mass density and find a flatter evolution with redshift than previous studies.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移（$z \simeq 4$--$8$）における銀河星質量関数（GSMF）を、低質量銀河に対してこれまでにない深さと正確さで測定すること。
• JWSTの深さのある中赤外カバーを活用し、$z \simeq 8$で$\sim10^8\,\mathrm{M_\odot}$に達するほどの明るさの銀河について、個別星質量推定を導出することで、従来の調査の限界を克服すること。
• 星質量および赤方偏移に依存する光度誤差分布の歪度を考慮した、新たなEddingtonバイアス補正法を開発・適用すること。
• 銀河星質量関数の明るさの端末傾き（$\alpha$）および正規化（$\phi^*$）の宇宙時間に伴う進化を制約し、銀河形成モデルの重要な検証を提供すること。
• $z \simeq 4$から$z \simeq 8$にかけての宇宙星質量密度の進化を計算し、以前の研究で報告された不一致を解消すること。

提案手法

• 著者らは、HUDFおよびUKIDSS UDS領域のJWST画像を用いて、$3.5 \leq z \leq 8.5$の範囲で、星質量が$\sim10^8\,\mathrm{M_\odot}$まで達する3,300個の銀河のサンプルを分析した。
• 星質量は、JWSTが提供する近赤外から中赤外までの波長域の光度を組み込んだ、LePHAREを用いたSed適合により導出された。
• 新しいEddingtonバイアス補正は、ガウス分布とスチューデントt分布の積からなる畳み込みカーネルを用いて実施され、非対称で質量および赤方偏移に依存する誤差分布を表現可能となった。
• カーネルは、ランダム化された不確実性を伴う30回の光度再現実験から得られた誤差分布にフィットされ、質量および赤方偏移に伴う歪度と分散の進化を捉えた。
• GSMFはSchechter関数としてモデル化され、Eddingtonバイアス補正を施した後、高質量制約を得るためにCANDELSデータを補完的に組み込んだ。
• 宇宙星質量密度は、補正済みGSMFから計算され、以前の研究との比較が可能となり、赤方偏移に伴う進化の評価が可能となった。

Figure 1: Top: PRIMER-UDS field. Bottom: JWST HUDF field. Sources are marked in black and background in red. Lighter shades indicate deeper areas. The XDF can be seen as the lightest patch on the left-hand side of the field.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $z \simeq 4$--$8$の銀河において、特に$M \lesssim 10^8\,\mathrm{M_\odot}$のものについて、銀河星質量関数（GSMF）の明るさの端末形状はどのように変化するか？
• RQ2 GSMFの明るさの端末傾き（$\alpha$）は$z \simeq 7$から$z \simeq 4$にかけてどのように進化するか？ これは初期銀河の構築に何を示唆するか？
• RQ3 GSMFの正規化（$\phi^*$）は赤方偏移とともにどのように変化するか？ また、宇宙星質量密度の進化はどのようなものか？
• RQ4 光度誤差とその非対称性（歪度）は観測されたGSMFにどの程度影響を及ぼし、それをどのように信頼性高く補正できるか？
• RQ5 質量および赤方偏移に依存する誤差分布を組み込むことで、従来の方法と比較してEddingtonバイアス補正の正確性はどの程度向上するか？

主な発見

• GSMFの明るさの端末傾きは赤方偏移が増加するにつれて著しく傾き、$z \simeq 4$で$\alpha = -1.61 \pm 0.05$、$z \simeq 7$で$\alpha = -1.98 \pm 0.14$となった。
• 正規化$\phi^*$は$z \simeq 7$から$z \simeq 4$にかけて$130^{+210}_{-50}$倍に増加し、初期に低質量銀河の数密度が著しく増加したことを示した。
• 本研究で開発されたEddingtonバイアス補正法は、非対称で質量および赤方偏移に依存する誤差分布を考慮しており、従来の対称近似よりも正確性が向上した。
• 星質量の誤差分布は、特に浅い領域（PRIMER-UDS）では低質量側に歪んでおり、より深い領域（HUDF）ではその歪度が小さくなった。
• 宇宙星質量密度の赤方偏移に伴う進化は、以前の研究で報告されたよりも弱く、誤ったバイアス補正を考慮しない研究とは対照的に、より平坦な進化を示した。
• HUDFとPRIMER-UDS領域の組み合わせは、単独で用いる場合よりも誤差分布の歪度が小さく、深さのあるデータセットを統合することの利点を示した。

Figure 2: Stellar mass and photometric redshift distribution of the galaxy sample used for our study. Catastrophic outliers are shown in red. The total number of galaxies in the sample is 988, out of which 12.3% are catastrophic outliers. The median absolute deviation is $0.0419$ , or $0.0356$ after