[論文レビュー] COSMOS2020: The Galaxy Stellar Mass Function: the assembly and star formation cessation of galaxies at $0.2\lt z \leq 7.5$

John R. Weaver, I. Davidzon+31 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2022

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、1.27 deg²にわたる深さと一貫性のある近赤外データを用いて、z = 7.5 から z = 0.2 までのCOSMOS2020銀河恒星質量関数（SMF）を提示する。SMFの進化は滑らかく、z ≈ 2でダウンサイズが顕著となり、z ≈ 2.5–5.5で質量の大きな赤い銀河の過剰が観測される。これはダストで遮蔽された銀河である可能性がある。結果は標準的なSchechter関数のフィットを挑戦し、初期に質量の大きなハローで星形成効率が向上している可能性を示唆する。

ABSTRACT

How galaxies form, assemble, and cease their star-formation is a central question within the modern landscape of galaxy evolution studies. These processes are indelibly imprinted on the galaxy stellar mass function (SMF). We present constraints on the shape and evolution of the SMF, the quiescent galaxy fraction, and the cosmic stellar mass density across 90% of the history of the Universe from $z=7.5 ightarrow0.2$ via the COSMOS survey. Now with deeper and more homogeneous near-infrared coverage exploited by the COSMOS2020 catalog, we leverage the large 1.27 deg$^{2}$ effective area to improve sample statistics and understand cosmic variance particularly for rare, massive galaxies and push to higher redshifts with greater confidence and mass completeness than previous studies. We divide the total stellar mass function into star-forming and quiescent sub-samples through $NUVrJ$ color-color selection. Measurements are then fitted with Schechter functions to infer the intrinsic SMF, the evolution of its key parameters, and the cosmic stellar mass density out to $z=7.5$. We find a smooth, monotonic evolution in the galaxy SMF since $z=7.5$, in agreement with previous studies. The number density of star-forming systems seems to have undergone remarkably consistent growth spanning four decades in stellar mass from $z=7.5 ightarrow2$ whereupon high-mass systems become predominantly quiescent (i.e. downsizing). An excess of massive systems at $z\sim2.5-5.5$ with strikingly red colors, some newly identified, increase the observed number densities to the point where the SMF cannot be reconciled with a Schechter function. Systematics including cosmic variance and/or AGN contamination are unlikely to fully explain this excess, and so we speculate that there may be contributions from dust-obscured objects similar to those found in FIR surveys. (abridged)

研究の動機と目的

• 宇宙史の90％にわたる、z = 7.5 から z = 0.2 における銀河恒星質量関数（SMF）の進化を測定すること。
• NUVrJ色-色選別を用いて星形成銀河と静止銀河に分離することで、銀河の形成と星形成の停止を調査すること。
• 大規模で深く一貫性のある調査領域を用いて、高赤方偏移のレアで質量の大きな銀河における宇宙分散と質量完全性を評価すること。
• 宇宙論的シミュレーションとダークマターハロー質量関数の予測と、観測されたSMFの進化を比較すること。
• 標準的なSMFモデルからの逸脱を説明する可能性がある、ダストで遮蔽された銀河のような新たな系や系誤差を同定すること。

提案手法

• 1.27 deg²にわたる深く一貫性のある近赤外カバーを提供するCOSMOS2020カタログを用い、高い質量完全性と宇宙分散の低減を実現した。
• 星形成銀河と静止銀河に分類するために、NUVrJ色-色選別を用いた。
• 観測されたSMFを単一および二重成分のSchechter関数でフィットし、SMFの本質的形状と進化をモデル化した。
• SMFを恒星質量で積分することで宇宙の恒星質量密度（SMD）を計算し、時間経過に伴う全バリオン質量の蓄積を追跡した。
• 最新の宇宙論的シミュレーションと理論的ダークマターハロー質量関数と、観測されたSMFおよびSMDの進化を比較した。
• 特に質量の大きな高赤方偏移系において、宇宙分散やAGN汚染などの系誤差が観測されたSMFに与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河恒星質量関数（SMF）はどのようにして z = 7.5 から z = 0.2 にかけて滑らかに進化するのか。これは銀河形成と星形成歴史にどのような含意を持つのか。
• RQ2 z ≈ 2.5–5.5における観測されたSMFは、Schechter関数からどの程度逸脱しているのか。このような逸脱を説明する物理的メカニズムは何か。
• RQ3 z ≈ 2.5–5.5における質量の大きな赤い銀河の過剰は、宇宙分散やAGN汚染といった系誤差によるものなのか、それともダストで遮蔽された銀河のような新しい銀河群を示唆するものなのか。
• RQ4 高赤方偏移における観測された恒星質量関数は、理論的ダークマターハロー質量関数とどのように比較されるのか。これは、質量の大きなハローにおける星形成効率にどのような含意を持つのか。
• RQ5 ダウンサイズはSMFをどのように形作っているのか。低質量の静止銀河系は、いつ恒星物質を蓄積したのか。

主な発見

• 銀河恒星質量関数（SMF）は、z = 7.5 から z = 0.2 にかけて滑らかにかつ単調に進化し、z ≈ 2 までに恒星質量の4桁にわたる範囲で星形成銀河の数密度が一貫して増加している。
• z ≈ 2 を過ぎると、質量の大きな銀河は静止状態に移行し、ダウンサイズの開始を示している。一方、低質量の静止銀河系は最近になって急速に恒星物質を蓄積した。
• z ≈ 2.5–5.5で、質量の大きな、目立って赤い銀河の過剰が観測され、単一のSchechter関数では説明できないほど数密度が上昇している。その一部は新たに同定されたものである。
• 宇宙分散やAGN汚染といった系誤差は、観測された過剰を完全に説明するには不十分であり、遠赤外線調査で観測されたものと類似したダストで遮蔽された集団の存在を示唆している。
• z ≈ 3 から z ≈ 6 にかけて、最も質量の大きな系において、恒星質量関数とダークマターハロー質量関数の間に一貫した一致が得られ、初期宇宙における質量の大きなハローで星形成効率が高まっていることを示唆している。
• 宇宙の恒星質量密度（SMD）はz = 7.5までよく制約されており、SMFは以前の研究と整合的であるが、深さと面積の向上により、高赤方偏移における新たな特徴が明らかになった。