[論文レビュー] FOREVER22: the first bright galaxies with population III stars at redshifts $z \simeq 10-20$ and comparisons with JWST data

Hidenobu Yajima, Makito Abe+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、高解像度の宇宙論的シミュレーション（FOREVER22）を用いて、z ≈ 10–20における最初の銀河の形成をモデル化し、質量が 10^10 M☉ より大きなハローが 10 M☉/yr よりも高い星形成率（SFR）を示す星形成爆発を伴うことが示された。また、M_star ~ 10^7 M☉ の銀河では、第3星族星がUV放射の数パーセントを占める。シミュレーションは、z ≈ 10–14におけるJWSTの観測特性を再現するが、z ≈ 16の候補者における極端なSFRと質量を再現できない。これは、今後の観測で M_star < 10^5 M☉ かつ β ≲ -3 の第3星族支配の銀河を検出できる可能性を示唆している。

ABSTRACT

We study the formation of the first galaxies in overdense regions modelled by the FORmation and EVolution of galaxies in Extremely overdense Regions motivated by SSA22 (FOREVER22) simulation project. Our simulations successfully reproduce the star formation rates and the $M_{ m UV}-M_{ m star}$ relations of candidate galaxies at $z \sim 10-14$ observed by the James Webb Space Telescope (JWST). We suggest that the observed galaxies are hosted by dark-matter haloes with $M_{ m h} \gtrsim 10^{10}~{ m M_{\odot}}$ and are in short-period starburst phases. On the other hand, even simulated massive galaxies in overdense regions cannot reproduce the intense star formation rates and the large stellar masses of observed candidates at $z \sim 16$. Also, we show that the contribution of population III stars to the UV flux decreases as the stellar mass increases and it is a few percent for galaxies with $M_{ m star} \sim 10^{7}~{ m M_{\odot}}$. Therefore, a part of the observed flux by JWST could be the light from population III stars. Our simulations suggest that the UV flux can be dominated by population III stars and the UV-slope shows $β\lesssim -3$ if future observations would reach galaxies with $M_{ m stars} \sim 10^{5}~{ m M_{\odot}}$ at $z \sim 20$ of which the mass fraction of population III stars can be greater than 10 percent.

研究の動機と目的

• 高解像度の宇宙論的シミュレーションを用いて、z ≈ 10–20における極端な過密度領域での最初の銀河の形成をモデル化すること。
• 高赤方偏移銀河のUV特性とSEDに与える第3星族星の役割を調査すること。
• JWSTデータによるz ≈ 10–16における観測されたUV等級、SFR、UV勾配とシミュレートされた銀河特性を比較すること。
• 第3星族星が初期銀河のUV放射を支配する条件を特定すること。
• 現在のシミュレーションが、z ≈ 16における最も極端な観測候補を再現できない理由を評価すること。

提案手法

• 極端な過密度領域における銀河形成をモデル化するため、FOREVER22プロジェクトのフレームワークを用いた高解像度のN体および流体力学的シミュレーションを実施すること。
• ミニハロー（M_h ~ 10^6–10^8 M☉）における第3星族星の形成とフィードバック、および質量が 10^10 M☉ より大きなハローにおける第2星族星形成への移行を追跡すること。
• 放射フィードバックおよび超新星フィードバックモデルを実装し、ガスの進化、金属増幅、星形成効率の変化を模擬すること。
• 第3星族星と第2星族星の両方の寄与を含む合成SEDから、UV等級（M_UV）、星質量（M_star）、星形成率（SFR）、UVスペクトル勾配（β）を計算すること。
• SEDを用いて、z ≈ 10–16における観測されたJWST候補銀河と比較し、M_UV–M_star関係およびβ値に注目すること。
• 質量比と金属量のしきい値を用いて、星形成率と赤方偏移の関数として第3星族星のUV放射寄与割合を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シミュレーションは、JWSTがz ≈ 10–14で検出した高赤方偏移銀河の観測されたUV等級とSFRを再現できるか？
• RQ2 第3星族星は初期銀河のUV放射にどの程度寄与するか、またその寄与は星質量と赤方偏移にどのように依存するか？
• RQ3 過密度領域における巨大銀河は、なぜz ≈ 16のJWST候補者と同様に極端なSFRと星質量を再現できないのか？
• RQ4 どのような条件下でUV勾配βが非常に青色（β ≲ -3）となり、非常に若い星系または第3星族支配の兆候が現れるか？
• RQ5 現在および将来の望遠鏡で、z ≈ 20における第3星族支配銀河をどの程度検出可能と予測できるか？

主な発見

• 過密度領域におけるシミュレート銀河は、z ≈ 10–14における観測されたJWST候補者と同様のM_UV–M_star関係とSFRを再現した。
• M_star ≳ 10^8 M☉ の銀河はUV等級 ≲ -18 mag であり、適切な積算時間でJWSTによって検出可能である。
• M_star ~ 10^7 M☉ の銀河では、第3星族星のUV放射寄与は約3%であり、星質量が増加するにつれて減少する。
• M_star ≲ 10^5 M☉ の銀河では、第3星族星の寄与割合が非常に大きく（>10%）、UV放射が第3星族星に支配される可能性がある。
• z ≤ 14の銀河では、2 μmで10 nJy以上のUV放射を示し、JWSTによる実用的な積算時間で観測可能である。
• z ~ 20におけるM_star ~ 10^5 M☉ の銀河では、β ≲ -3 のUV勾配が予測され、非常に若いまたは第3星族支配の銀河を示唆する。