[論文レビュー] Evolution of the UV LF from z~15 to z~8 Using New JWST NIRCam Medium-Band Observations over the HUDF/XDF

R. J. Bouwens, Mauro Stefanon+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、HUDF/XDF領域における新しいJWST NIRCam中バンド観測を用いて、z~15からz~8までの最初のUVエミッション関数（LF）制約を提示し、z~8–13の高赤方偏移銀河10個（うちz~11–12の2個を含む）を同定した。z~12.6におけるUVエミッション密度の進化は、従来の研究よりも穏やかであるが、少数の源数と限られた体積のため、結果の不確実性は高い。

ABSTRACT

We present the first constraints on the prevalence of z>10 galaxies in the Hubble Ultra Deep Field (HUDF) leveraging new NIRCam observations from JEMS (JWST Extragalactic Medium-band Survey). These NIRCam observations probe redward of 1.6$μ$m, beyond the wavelength limit of HST, allowing us to search for galaxies to z>10. These observations indicate that the highest redshift candidate identified in the HUDF09 data with HST, UDFj-39546284, has a redshift of z>11.5, as had been suggested in analyses of the HUDF12/XDF data. This has now been confirmed with JWST NIRSpec. This source is thus the most distant galaxy discovered by HST in its >30 years of operation. Additionally, we identify nine other z~8-13 candidate galaxies over the HUDF, two of which are new discoveries that appear to lie at z~11-12. We use these results to characterize the evolution of the UV luminosity function (LF) from z~15 to z~8.7. While our LF results at z~8.7 and z~10.5 are consistent with previous findings over the HUDF, our new LF estimates at z~12.6 are higher than other results in the literature, potentially pointing to a milder evolution in the UV luminosity density from z~12.6. We emphasize that our LF results are uncertain given the small number of z~12.6 sources and limited volume probed. The new NIRCam data also indicate that the faint z~8-13 galaxies in the HUDF/XDF show blue UV-continuum slopes beta~-2.7, high specific star formation rates ~24.5 Gyr**-1, and high EW (~1300A) [OIII]+H$β$ emission, with two z~8.5 sources showing [OIII]+H$β$ EWs of ~2300 A.

研究の動機と目的

• HUDF/XDF領域における深さのあるJWST NIRCam中バンド画像を用いて、z~15からz~8までのUVエミッション関数（LF）の進化を測定すること。
• HSTアーカイブデータの深さと新規の赤方偏移拡張JWSTカバー範囲を組み合わせることで、高赤方偏移銀河（z>10）の同定と特徴付けをより強く確立すること。
• SED解析、UV連続スペクトル傾き、星形成率、および線スペクトル特性を用いて、高赤方偏移銀河候補の信頼性を評価すること。
• LFの進化が宇宙再電離および初期の星形成効率に与える意味を評価すること。
• HUDFに存在する微弱な高赤方偏移銀河が、強力な中性線放出と高い単位質量星形成率を示す兆候を示しているかどうかを検証すること。

提案手法

• JEMS調査から得た新規のJWST NIRCam中バンド光度測定（F182M, F210M, F430M, F460M, F480M）を用い、HSTの限界を超えて1.6 μm以降の赤方偏移領域をカバーした。
• EAzYおよびProspectorを用いたSEDフィッティングにより、光度赤方偏移、UV連続スペクトル傾き（β）、星形成質量、星形成率を導出した。
• リーマンブレイク選別法を用いて高赤方偏移候補を同定し、特にz>10の源に注目した。
• 豊富なマッチング法と修正されたSchechter関数を用いてUV LFを計算し、少数統計のための完全性補正を施した。
• SEDテンプレートと光度制約を用いて、[OIII]+Hβ線の静止系等価幅を測定した。
• 特に微弱な源や、限られた光度カバー範囲を持つ高赤方偏移候補に関しては、モンテカルロシミュレーションとベイズ推論を用いて不確実性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HUDF/XDF領域における新規のJWST観測から、z~15からz~8までのUVエミッション関数の進化はどのように変化するか？
• RQ2 JWST NIRCam中バンドデータを用いてHUDFで同定された高赤方偏移銀河候補（z>10）の信頼性はどの程度か？
• RQ3 HUDF/XDFに存在する微弱なz~8–13銀河の静止系UV特性（例：β、SFR、星形成質量）は何か？
• RQ4 HUDFに存在する高赤方偏移銀河は、特に[OIII]+Hβに対して強い中性線放出を示すか？これは星形成歴にどのような意味を持つのか？
• RQ5 z~12.6からz~8にかけてUVエミッション密度はどのように進化するか？これは、以前の報告よりも穏やかな低下を示唆するか？

主な発見

• 最高赤方偏移候補であるUDFj-39546284は、z>11.5であることが確認され、以前のHSTおよびJWST NIRSpec結果と整合的である。
• z~8–13の追加の9個の銀河候補が同定され、そのうちz~11–12の2つの新規源が含まれており、赤方偏移の範囲が顕著に拡張された。
• z~8.7およびz~10.5におけるUV LFは、従来のHUDFベースの結果と整合的であり、手法の妥当性が裏付けられた。
• z~12.6におけるUV LFは、他の文献研究よりも高い値を示しており、z~12.6におけるUVエミッション密度の進化が穏やかである可能性を示唆しているが、源数が少ないため大きな不確実性を伴う。
• 微弱なz~8–13銀河は青いUV連続スペクトル傾き（β ~ -2.7）、高い単位質量星形成率（約24.5 Gyr⁻¹）、および2つのz~8.5銀河では最大で約2300Åの[OIII]+Hβ等価幅を示した。
• z~8–13銀河の[OIII]+Hβ等価幅の中央値は約1300Åであり、初期の銀河における強い中性線放出と活発な星形成を示唆している。