[論文レビュー] Galaxy Stellar Mass Functions from z~10 to z~6 using the Deepest Spitzer/IRAC Data: No Significant Evolution in the Stellar-to-Halo Mass Ratio of Galaxies in the First Gyr of Cosmic Time

Mauro Stefanon, R. J. Bouwens+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 5被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、最も深いSpitzer/IRACデータを用いて、z~10における最初の頑健な恒星質量関数（SMF）を提示し、z~10からz~6にかけて恒星対ハロー質量比（SHMR）に顕著な変化がないことを明らかにした。前例の3倍広い領域をカバーする約200時間のIRAC画像を活用することで、10⁸ M☉に達するまで恒星質量が10⁸ M☉の銀河の50%がレストフレーム光学波長で検出可能となり、約500 Myrの間に恒星質量密度が約1000倍に増加した。SHMRはハロー質量の成長と同時に変化しており、初期宇宙における質量の蓄積が同期していることを示している。

ABSTRACT

We present new stellar mass functions at $z\sim6$, $z\sim7$, $z\sim8$, $z\sim9$ and, for the first time, $z\sim10$, constructed from $\sim800$ Lyman-Break galaxies previously identified over the XDF/UDF, parallels and the five CANDELS fields. Our study is distinctive due to (1) the much deeper ($\sim200$ hour) wide-area Spitzer/IRAC imaging at $3.6μ$m and $4.5μ$m from the GOODS Re-ionization Era wide Area Treasury from Spitzer (GREATS) program and (2) consideration of $z\sim6-10$ sources over a $3 imes$ larger area than previous HST+Spitzer studies. The Spitzer/IRAC data enable $\ge2σ$ rest-frame optical detections for an unprecedented $50\%$ of galaxies down to a stellar mass limit of $\sim10^{8}\mathcal{M}_\odot$ across all redshifts. Schechter fits to our volume densities suggest a combined evolution in characteristic mass $\mathcal{M}^*$ and normalization factor $ϕ^*$ between $z\sim6$ and $z\sim8$. The stellar mass density (SMD) increases by $\sim1000 imes$ in the $\sim500$ Myr between $z\sim10$ and $z\sim6$, with indications of a steeper evolution between $z\sim10$ and $z\sim8$, similar to the previously-reported trend of the star-formation rate density. Strikingly, abundance matching to the Bolshoi-Planck simulation indicates halo mass densities evolving at approximately the same rate as the SMD between $z\sim10$ and $z\sim4$. Our results show that the stellar-to-halo mass ratios, a proxy for the star-formation efficiency, do not change significantly over the huge stellar mass build-up occurred from $z\sim10$ to $z\sim6$, indicating that the assembly of stellar mass closely mirrors the build-up in halo mass in the first $\sim1$ Gyr of cosmic history. JWST is poised to extend these results into the "first galaxy" epoch at $z\gtrsim10$.

研究の動機と目的

• 深さのあるSpitzer/IRACデータを用いて、z~10における恒星質量関数（SMF）を初めて測定すること。
• 従来のHST+Spitzer研究と比較して3倍広い領域を分析することで、宇宙的ばらつきを低減し、統計的頑健性を向上させること。
• 宇宙初期の1ギガ年間にわたり、銀河形成効率を検証するために、z~10からz~6への恒星対ハロー質量比（SHMR）の進化を評価すること。
• 恒星質量密度（SMD）の進化を制約し、ハロー質量密度および星形成率密度の傾向と比較すること。

提案手法

• GREATS計画による、3.6 μmおよび4.5 μmでの約200時間の深さのあるSpitzer/IRAC画像を用い、高赤方偏移銀河のレストフレーム光学放射を検出した。
• XDF/UDF、パラレル、CANDELS領域を対象に、多波長の光度測定とSEDフィッティングを用いて、約800個のライマンブレイク銀河を同定した。
• SEDフィッティングに全SED情報を用い、UV傾斜に基づく質量推定器（Stefanonら2021年で妥当性が確認済み）を適用して、特にIRAC非検出銀河の恒星質量を推定した。
• z~6、7、8、9、10における体積補正済みSMFに対してSchechter関数フィッティングを実施し、M*およびφ*の進化を導出した。
• Bolshoi-Planckシミュレーションを用いたアバンドンマッチングにより、観測されたSMDの進化とハロー質量関数（HMF）の進化を比較した。
• WMAP7からPlanck宇宙論パラメータへのSHMR推定値の換算に、赤方偏移に依存する補正係数を適用し、現代の宇宙論パラメータと整合性を保った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z~10におけるSMFの形状と正規化は何か？ 低赤方偏移と比較してどう異なるか？
• RQ2 z~10からz~6にかけてSHMRはどの程度進化するか？ これは銀河形成効率にどのような含意を持つか？
• RQ3 z~10からz~6にかけて恒星質量密度はどのように進化するか？ ダークマターのハロー質量の成長と一致するか？
• RQ4 宇宙的ばらつきおよび恒星質量推定の系宮的不確実性は、高赤方偏移SMF測定にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• z~10における恒星質量関数が初めて測定され、恒星質量限界は約10⁸ M☉であり、レストフレーム光学波長で50%の銀河が≥2σで検出された。
• z~10からz~6にかけて約500 Myrの間に恒星質量密度は約1000倍に増加した。特にz~10からz~8にかけては急激な上昇を示した。
• 恒星対ハロー質量比（SHMR）はz~10からz~6にかけて顕著な進化を示さず、初期1ギガ年間における恒星質量蓄積がハロー質量の成長と密接に連動していることを示している。
• Bolshoi-Planckシミュレーションとのアバンドンマッチングにより、z~10からz~4にかけてハロー質量密度の進化が観測されたSMDの進化とほぼ同一であることが確認された。
• z~6–8における恒星質量は、従来の推定値と比較して約0.2–0.3 dex低いが、z~9では約0.5–1.0 dex低く、高SNRのIRACデータにより若い星団と低いM*/L比が明らかになったためと推定される。
• WMAP7ベースのハロー質量をPlanck宇宙論に換算する補正係数は、SHMRにおいて約0.05–0.06 dex低く、約15%高い。赤方偏移依存性はあるが、10¹⁰.⁵–10¹² M☉の質量範囲では質量依存性は最小限である。