[論文レビュー] EPOCHS VI: The Size and Shape Evolution of Galaxies since z ~ 8 with JWST Observations

K. Ormerod, Christopher J. Conselice+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、JWST/CEERSおよびHST/CANDELSデータを用いて、z ~ 8からz ~ 0.5の間で、質量が1,395個の巨大銀河（log(M*/M☉) > 9.5）のサイズおよび構造的進化を分析している。非特徴的な光学的プロファイルを単一のSérsicモデルでフィットさせ、銀河はRe ∝ (1+z)^{-0.71±0.19}に従って進化することが判明した。高赤方偏移では、コンパクトでディスク様の構造が支配的であり、z ~ 3を超えるとサイズ–質量関係が崩れることが明らかになった。これは、静止銀河が固定された質量でより小さくなるという従来の仮定に挑戦するものである。

ABSTRACT

We present the results of a size and structural analysis of 1395 galaxies at $0.5 \leq z \lesssim 8$ with stellar masses $\log \left(M_* / M_{\odot} ight)$ $>$ 9.5 within the JWST Public CEERS field that overlaps with the HST CANDELS EGS observations. We use GALFIT to fit single Sérsic models to the rest-frame optical profile of our galaxies, which is a mass-selected sample complete to our redshift and mass limit. Our primary result is that at fixed rest-frame wavelength and stellar mass, galaxies get progressively smaller, evolving as $\sim (1+z)^{-0.71\pm0.19}$ up to $z \sim 8$. We discover that the vast majority of massive galaxies at high redshifts have low Sérsic indices, thus do not contain steep, concentrated light profiles. Additionally, we explore the evolution of the size-stellar mass relationship, finding a correlation such that more massive systems are larger up to $z \sim 3$. This relationship breaks down at $z > 3$, where we find that galaxies are of similar sizes, regardless of their star formation rates and Sérsic index, varying little with mass. We show that galaxies are more compact at redder wavelengths, independent of sSFR or stellar mass up to $z \sim 3$. We demonstrate the size evolution of galaxies continues up to $z \sim 8$, showing that the process or causes for this evolution is active at early times. We discuss these results in terms of ideas behind galaxy formation and evolution at early epochs, such as their importance in tracing processes driving size evolution, including minor mergers and AGN activity.

研究の動機と目的

• 高解像度のJWSTデータを用いて、z ~ 8からz ~ 0.5にかけての巨大銀河のサイズおよび構造的進化を測定すること。
• 銀河のサイズ、Sérsic指数、および形態が赤方偏移および星形成星質量とともにどのように進化するかを特定すること。
• z < 3で観測されたサイズ–質量関係および構造的二重性が、より高い赤方偏移でも継続するかどうかを検証すること。
• 非特徴的な波長および光度フィルターが観測された銀河サイズに与える影響を評価すること。
• 距離や分解能に起因する系統的誤差を除外するために、シミュレートされた銀河を用いて結果を検証すること。

提案手法

• 銀河サンプルは、CEERS領域とCANDLES-EGSが重複する領域内で、log(M*/M☉) > 9.5およびz ≤ 8の範囲で質量選別され、完全性を保証している。
• 有効半径（Re）およびSérsic指数（n）を測定するために、GALFITを用いて単一Sérsicフィットで非特徴的な光学的プロファイルをモデル化している。
• HSTデータからの光度赤方偏移が、サンプル全体の整合性を保つために赤方偏移のアンカーリングに用いられている。
• フィルター効果は、特に赤みの強いフィルターでのサイズ比較を通じて分析されている。
• 既知の内在的性質を持つシミュレートされた銀河を用いて、測定パイプラインの妥当性を確認し、赤方偏移および分解能の影響に対するロバスト性を検証している。
• 統計的分析では、赤方偏移のビン、星形成星質量、sSFR、形態的タイプごとのサイズ進化を比較している。

Figure 1 : Plot showing the rest-frame wavelengths at given redshifts, for all filters used within the JWST CEERS NIRCam observations, and used within this paper. The shaded regions show the selected filter we use to observe sources in the rest-frame optical at the given redshift. The grey dashed li

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ~ 8からz ~ 0.5にかけて、巨大銀河の有効半径はどのように赤方偏移とともに進化するか？
• RQ2 z > 3でサイズ–星質量関係は成立するのか、それとも以前のHSTデータが示唆するように崩壊するのか？
• RQ3 Sérsic指数および構造的タイプ（例：ディスク様対球状）はどのように赤方偏移とともに進化するのか。これは銀河形成メカニズムに何を示唆するか？
• RQ4 非特徴的なフィルター波長および星質量が、高赤方偏移での観測サイズにどの程度影響を与えるか？
• RQ5 観測されたサイズの傾向は、物理的進化に起因するのか、それとも分解能や分離処理の系統的誤差に起因するのか？

主な発見

• z ~ 8からz ~ 0.5にかけて、銀河の有効半径はRe ∝ (1+z)^{-0.71±0.19}に従って進化しており、初期宇宙への連続的なサイズ進化を示している。
• 高赤方偏移の巨大銀河の大部分は、低いSérsic指数（n ≈ 1）を示しており、ディスク様または指数的プロファイルであることを示している。z > 3では、星形成銀河と静止銀河の間で顕著な差異は認められない。
• z > 3ではサイズ–星質量関係が崩れる。固定された質量で、星形成銀河と静止銀河の両方が同程度のサイズを持つ。これはz < 3の傾向とは矛盾する。
• 銀河は赤い非特徴的フィルターでよりコンパクトに見える。より質量の大きな銀河では、コンパクトネス効果が顕著であり、sSFRやSérsic指数とは独立して現れる。
• 球状タイプの銀河は、全赤方偏移で一貫して小さく、他のタイプよりも高いSérsic指数を示しており、そのコンパクトで集中した性質を確認している。
• シミュレートされた銀河による検証により、観測されたサイズ進化が測定の系統的誤差や赤方偏移効果に起因するものではなく、物理的進化であることが確認された。

Figure 2 : Plots showing the Kron radii (semi-major axis of the Kron ellipse), where the red radius in each image is that of the primary source, and the blue radii are those of the neighbouring sources. We give several scenarios for how these systems would be found. Left: No other sources would be f