[論文レビュー] Galaxy Build-up in the first 1.5 Gyr of Cosmic History: Insights from the Stellar Mass Function at $z\sim4-9$ from JWST NIRCam Observations

Andrea Weibel, Pascal A. Oesch+27 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 10

ひとこと要約

この研究は JWST NIRCam イメージングを用いて z~4–9 の rest-optical 恒星質量関数を導出する large, rest-optical 選択銀河サンプルから、赤色で塵に覆われた系と初期宇宙での急速な質量蓄積を強調している。

ABSTRACT

Combining the public JWST/NIRCam imaging programs CEERS, PRIMER and JADES, spanning a total area of $\sim500\,{ m arcmin}^2$, we obtain a sample of $>$30,000 galaxies at $z_{ m phot}\sim4-9$ that allows us to perform a complete, rest-optical selected census of the galaxy population at $z>3$. Comparing the stellar mass $M_*$ and the UV-slope $β$ distributions between JWST- and HST-selected samples, we generally find very good agreement and no significant biases. Nevertheless, JWST enables us to probe a new population of UV-red galaxies that was missing from previous HST-based Lyman Break Galaxy (LBG) samples. We measure galaxy stellar mass functions (SMFs) at $z\sim4-9$ down to limiting masses of $10^{7.5}-10^{8.5}\,{ m M_\odot}$, finding steep low mass slopes over the entire redshift range, reaching values of $α\approx-2$ at $z\gtrsim6$. At the high-mass end, UV-red galaxies dominate at least out to $z\sim6$. The implied redshift evolution of the SMF suggests a rapid build-up of massive dust-obscured or quiescent galaxies from $z\sim6$ to $z\sim4$ as well as an enhanced efficiency of star formation towards earlier times ($z\gtrsim6$). Finally, we show that the galaxy mass density grows by a factor $\sim20 imes$ from $z\sim9$ to $z\sim4$. Our results emphasize the importance of rest-frame optically-selected samples in inferring accurate distributions of physical properties and studying the mass build-up of galaxies in the first 1.5 Gyr of cosmic history.

研究の動機と目的

• JWST NIRCam データを用いて z~4–9 の銀河の rest-frame optical 調査を行う。
• 低質量域（∼10^7.5–10^8.5 M☉）までの恒星質量関数を定量化し、UV 選択サンプルと比較する。
• UV 赤色、塵で覆われている可能性のある銀河の寄与を高質量端と全体の質量密度に対して評価する。
• SMF の赤shift 進化と初期の星形成効率および塵・抑制の意味を検討する。

提案手法

• 約 500 アーク分^2 の多場 JWST NIRCam データセット（CEERS, PRIMER, JADES）を補完的な HST データとともにコンパイルする。
• PSF 抽出とカーネルベースのマッチングを用いて 1–5 μm で PSF マッチング光度測定を行い、F444W（および WFC3 フィルターの F160W の場合）へ対応させる。
• SourceExtractor を用いた光度カタログを構築し、厳密なフラグ付けとマスキングを適用し、複数のアパーチャで多バンドのフ flux を測定する。
• 遅延 τ 型 SFH を用いたベイズ枠組みで BAGPIPES による photometric redshifts と星形成歴をフィットし、 nebular emission を含む BPASS ベースのテンプレートを適用する。
• 初期 z > 3 の選択には EAZY を用い、物理的特性を BAGPIPES で精緻化して事後的な SMF と不確実性を得る。
• SMFs を M* ~ 10^7.5–10^8.5 M☉ まで報告し、高質量端の進化と総質量密度の変化を検討する。

Figure 1: Top panels: F200W PSFs generated through webbpsf with jitter_sigma = 0.022 (see Morishita et al., 2023 ) , as well as extracted from the images for all the different fields used in this work as explained in the text. All PSFs are shown in log-scale. Bottom left: Logarithmic radial profiles

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JWST NIRCam によって probe される z~4–9 の銀河の rest-frame optical 恒星質量関数はどのようになるか。
• RQ2 UV 赤色で、塵で覆われている可能性のある銀河は、UV 選択サンプルと比較して SMF の高質量端にどのような影響を与えるか。
• RQ3 SMF の高質量端の赤shift 進化と z~9 から z~4 への推定恒星質量密度成長はどうなるか。
• RQ4 赤色/塵に覆われた銀河の存在と豊富さは、初期宇宙における塵に覆われた星形成と休止について何を意味するか。

主な発見

• z~4–9 の恒星質量関数は約 10^7.5–10^8.5 M☉ まで測定可能で、文献と概ね一致するが、高質量端で UV 赤色銀河の寄与が明示的に示されている。
• UV 赤色でおそらく塵で覆われた系は z~6 までの高質量端を支配しており、UV 選択から以前に推定されていたよりも塵性の多様な系や休止系が存在することを示唆する。
• SMF は赤shift 全体で急峻であり、赤shift が上がるにつれてわずかに鋭くなり、z>6 で勾配が約 -2 に近づく。
• 銀河質量密度は z~9 から z~4 の間に約 20 倍に成長し、宇宙時間約 1 Gyr に相当する、急速な質量蓄積を示す。
• JWST の rest-optical 選択は UV ベースのサンプルに存在するバイアスを減らし、最も massive な銀河の出現頻度と質量に関する制約をより正確に導く。
• 赤色/塵に覆われた銀河の急速な蓄積と z~6 から z~4 への高度な star-formation efficiency の存在を示唆する証拠がありそう。

Figure 2: Comparison between photometric and spectroscopic redshifts. Spectroscopic redshifts from the literature are plotted against photometric redshifts obtained through eazy in the top panel and through bagpipes in the bottom panel. Both codes perform well at $z\gtrsim 3$ with eazy showing a sma