[論文レビュー] Identification of a transition from stochastic to secular star formation around $z=9$ with JWST

L. Ciesla, D. Elbaz+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 16被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、JADES調査のJWSTデータを用いて、高赤方偏移銀河（6 < z < 12）における星形成歴（SFH）を分析する。非パrametricなSEDモデリングにCIGALEを適用し、SFR勾配を動的指標として導入することで、z ≈ 9の周辺で、断続的から連続的星形成への遷移が特定された。質量の大きな銀河（log M∗ ≳ 9）は、爆発的からメインシーケンスに類似した行動に移行するが、UV光度関数の過剰を完全に説明できるほど、断続性のレベルは低すぎる。

ABSTRACT

Star formation histories (SFH) of early (6$9$, 87% of massive galaxies, ($\log(M_\ast/M_\odot)\gtrsim$9), have SFR gradients consistent with a stochastic star-formation activity during the last 100 Myr, while this fraction drops to 15% at $z&lt;7$. On the other hand, we see an increasing fraction of galaxies with a star-formation activity following a common stream on the SFR-$M_\ast$ plane with cosmic time, indicating that a secular mode of star-formation is emerging. We place our results in the context of the observed excess of UV emission as probed by the UV luminosity function at $z\gtrsim10$, by estimating $σ_{UV}$, the dispersion of the UV absolute magnitude distribution, to be of the order of 1.2mag and compare it with predictions from the literature. In conclusion, we find a transition of star-formation mode happening around $z\sim9$: Galaxies with stochastic SFHs dominates at $z\gtrsim9$, although this level of stochasticity is too low to reach those invoked by recent models to reproduce the observed UV luminosity function.

研究の動機と目的

• 星形成歴（SFH）の変動を、星質量および赤方偏移の関数として、初期の銀河（6 < z < 12）において特徴づけること。
• 特にz ≈ 9の周辺で、断続的か連続的星形成モードのどちらが支配的であるかを調査すること。
• z ≳ 10で観測されたUV光度関数の過剰を、断続的SFHがどのように説明できるかを評価すること。
• フィードバックおよび質量集積が、爆発的から連続的星形成への遷移に果たす役割を評価すること。
• UV絶対等級の分散（σ_UV）を定量し、断続的星形成によるUV過剰を理論的予測と比較すること。

提案手法

• James Webb Space Telescope（JWST）で観測された高赤方偏移銀河の公開JADESカタログを用いた。
• 線形時間チャンクと平坦な事前分布を用いて、非パrametricなSFHを最大限に断続性回復できるように、CIGALE SEDモデリングコードを適用した。
• SFR勾配（100 Myr間にSFR–M∗平面での移動を測る指標）を導入し、最近のSFH進化の動的指標とした。
• σ_UV（UV絶対等級分布の分散）を計算し、UV光度における断続性のレベルを評価した。
• Narayananら（2023）のシミュレーテッド銀河を用いて、非パrametricなSFH手法の妥当性を検証し、標準的な爆発的連続性事前分布よりも優れたSFH再構築が可能であることを確認した。
• 赤方偏移のビン（6 < z < 7、7 < z < 9、z > 9）を分析し、宇宙時間に伴うSFHモードの進化を追跡した。

Figure 1: Stellar mass as a function of redshift for the JADES sample (grey dots) and the selected galaxies studied in this work. Colours highlight the three redshift bins analysed in this work.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期の銀河において、星形成モードが断続的から連続的へと遷移するのはどの赤方偏移か？
• RQ2 SFR–星質量関係は赤方偏移とともにどのように進化するのか？また、SFHの変動を明らかにするにはどうか？
• RQ3 断続的星形成が、z ≳ 10で観測されたUV光度関数の過剰をどの程度説明できるのか？
• RQ4 UV絶対等級の分散（σ_UV）は測定されたが、断続的SFHモデルの予測と比べてどうか？
• RQ5 質量の大きな銀河（log M∗ ≳ 9）のSFHは、z ≈ 10からz ≈ 7にかけてどのように進化するのか？また、それらがメインシーケンス上に位置する意味は何か？

主な発見

• z > 9では、質量の大きな銀河（log M∗ ≳ 9）の87％が、直近100 Myr間に断続的星形成と整合するSFR勾配を示した。
• z < 7では、この割合は15％に低下し、質量の大きな銀河における連続的・メインシーケンスに類似した星形成への強いシフトが示された。
• SFR勾配分布は、z < 7では約40°（連続的モード）にピークを示すが、z > 9では約0°（断続的モード）にピークを示し、遷移は7 < z < 9の赤方偏移ビンで発生した。
• 質量の小さい銀河（log M∗ < 8.5）は、全赤方偏移範囲で断続的SFHを示し、z > 9でSFR–M∗相関は強くなかった。
• 観測されたUV等級分散σ_UVは1.2 ± 0.1 magであり、これは断続的星形成によるUV光度関数の過剰を完全に説明できるほどではなかった。
• 初期に断続的星形成が支配的であったにもかかわらず、SFHの変動レベルは、z ≳ 10でUVが明るい銀河の過剰を説明するには不十分であり、追加の物理的メカニズムが関与している可能性がある。

Figure 2: Left panel: Stellar mass recovered with cigale using the non-parametric SFH with no prior versus the true stellar mass of the simulated SEDs. Light green dots are obtained using a non-parametric SFH with bursty continuity prior while the drak green dots are obtained with the non-parametric