[論文レビュー] Earliest Galaxies in the JADES Origins Field: Luminosity Function and Cosmic Star-Formation Rate Density 300 Myr after the Big Bang

Brant Robertson, Benjamin D. Johnson+34 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

この研究は JWST/JADES Origins Field データを使用して z = 11.5–15 の銀河候補を特定し、進化する UV 光度関数を前方モデル化し、z ~ 14–15 までの宇宙の星形成率密度を制約する。

ABSTRACT

We characterize the earliest galaxy population in the JADES Origins Field (JOF), the deepest imaging field observed with JWST. We make use of the ancillary Hubble optical images (5 filters spanning $0.4-0.9μ\mathrm{m}$) and novel JWST images with 14 filters spanning $0.8-5μ\mathrm{m}$, including 7 medium-band filters, and reaching total exposure times of up to 46 hours per filter. We combine all our data at $>2.3μ\mathrm{m}$ to construct an ultradeep image, reaching as deep as $\approx31.4$ AB mag in the stack and 30.3-31.0 AB mag ($5σ$, $r=0.1"$ circular aperture) in individual filters. We measure photometric redshifts and use robust selection criteria to identify a sample of eight galaxy candidates at redshifts $z=11.5-15$. These objects show compact half-light radii of $R_{1/2}\sim50-200$pc, stellar masses of $M_{\star}\sim10^7-10^8 M_{\odot}$, and star-formation rates of $\mathrm{SFR}\sim0.1-1\,M_{\odot}\,\mathrm{yr}^{-1}$. Our search finds no candidates at $15

研究の動機と目的

• JWST と補助的な HST データを用いて JADES Origins Field (JOF) の最も初期の銀河集団を特徴づける。
• 光度法経紅shiftを測定し、混入を最小限に抑えた堅牢な z>11 銀河候補を選択する。
• 赤方偏移や光度のビニングを用いずに進化する UV 光度関数を前方モデル化する。
• z~20 までの UV 光度密度とその進化を推定し、初期構造形成への影響を議論する。

提案手法

• 14フィルターの JWST/NIRCam 撮影（0.8–5 μm）と HST 光学データ（0.4–0.9 μm）を組み合わせて、>2 μm で最も深いイメージングを作成する。
• EAZY を用いて、強い発光線と様々な UV 連続スペクトルを含むテンプレートを使い、フォトメトリック赤方偏移推定を行う。
• 非検出を考慮しつつ、厳密な高-z 選択基準を適用して堅牢な z>11 候補を同定する。
• 銀河集団を前方モデル化して、フォトメトリック赤方偏移の不確かさを周辺化しつつ、進化する光度関数を推定する。
• Forcepho を用いて表面輝度分布をモデル化し、構造パラメータ（例：半光半径）を抽出する。
• 0点チェック、PSF モデリング、および独立した HST 解析とのクロスチェックによりフォトメトリを検証する。

Figure 1: F444W/F200W/F090W false color red/green/blue image of the JADES Origin Field (background image; 27.5 arcmin 2 ), the JOF F162M footprint (jade outline) and F356W+F410M+F444W/F200W+F210M/F090W+F115W false color red/green/blue thumbnail images (each 0.86 arcsec 2 ) for $z\gtrsim 12$ high-red

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 What is the abundance and properties of galaxies at z>12 in the JOF given the deepest JWST/NIRCam data?
• RQ2 How does the UV luminosity function evolve from z~12 to higher redshifts (z~14–20)?
• RQ3 What is the corresponding UV luminosity density and implied cosmic star-formation rate density in the earliest epochs?
• RQ4 Do the observed abundances align with predictions from dark matter halo mass function evolution and galaxy formation models?

主な発見

• Identified eight galaxy candidates at z=11.5–15 within the JOF Main Sample after quality cuts.
• Measured compact half-light radii of R1/2 ~ 50–200 pc and stellar masses M⋆ ~ 10^7–10^8 Msun with star-formation rates ~0.1–1 Msun yr^−1.
• No candidates found at 15<z<20, yielding upper limits in this redshift range.
• Forward-modeling indicates the z=12 UV luminosity function is in good agreement with prior results, and the UV luminosity density declines by a factor of ~2.5 from z=12 to z=14.
• The inferred luminosity function normalization evolves with redshift, informing the early growth of the galaxy population and its connection to the dark matter halo mass function.
• Field-area considerations: effective survey area after quality cuts is approximately 7.06 square arcminutes, with auxiliary/contributing samples at lower redshifts.

Figure 2: SED model, photometric redshift posterior distributions, and JWST NIRCam image thumbnails for galaxy candidate JADES+53.09731-27.84714 (NIRcam ID 74977). The upper left panel shows the aperture-corrected r = 0.1 ​ " 𝑟 0.1 " r=0.1" flux density $f_{\nu}$ in nJy of the NIRCam (purple points