[論文レビュー] Insight from JWST/NIRCam into galaxy overdensities around bright Ly$α$ emitters during reionization: implications for ionized bubbles at $z \sim 9$

Lily Whitler, Daniel P. Stark+5 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

研究は JWST/NIRCam CEERS 画像を用いて EGS で z=8.7 の2つの UV-bright Lyα 発光体の周囲にある暗い隣接銀河を探索し、有意な過剰密度を見つけ Large ionized bubble の可能性を示唆し、再電離トポロジーへの影響を議論する。

ABSTRACT

Several studies have detected Lyman-alpha (Ly$α$) from bright ($M_\mathrm{UV}\lesssim-21.5$) galaxies during the early stages of reionization despite the significantly neutral intergalactic medium. To explain these detections, it has been suggested that $z>7$ Ly$α$ emitters (LAEs) inhabit physical Mpc (pMpc)-scale ionized regions powered by overdensities of faint galaxies, but systematic searches for these overdensities near LAEs have been challenging. Here, we use CEERS JWST/NIRCam imaging to search for large-scale galaxy overdensities near two very UV-bright, $z=8.7$ LAEs in the EGS field. We colour select 27 $z=8.4-9.1$ candidates, including the one LAE in the footprint (EGSY8p7). From SED models, we infer moderately faint UV luminosities ($-21.2\lesssim{M_\mathrm{UV}}\lesssim -19.1$) and stellar masses of $M_*\approx10^{7.5-8.8}$ M$_\odot$. All are efficient ionizing agents ($ξ_{\mathrm{ion}}^{*}\approx10^{25.5-26.0}$ Hz erg$^{-1}$) and are generally morphologically simple with only one compact ($r_e\lesssim140$ to $\sim650$ pc) star-forming component. 13 candidates lie within 5 arcmin of EGSY8p7, leading to a factor-of-four galaxy overdensity at $\lesssim 5$ arcmin ($\sim 1.4$ projected pMpc at $z\sim8.7$) separations from EGSY8p7. Separations of $10-15$ arcmin ($\sim2.7-4.1$ projected pMpc) are consistent with an average field. The spatial distribution of our sample may qualitatively suggest an $R\geq2$ pMpc ionized bubble encompassing both LAEs in EGS, which is theoretically unexpected but may be possible for a galaxy population $4 imes$ more numerous than the average to create with moderate escape fractions ($f_\mathrm{esc}\gtrsim0.15$) over long times ($\gtrsim200$ Myr). Upcoming spectroscopic follow-up will characterize the size of any ionized bubble that may exist and the properties of the galaxies powering such a bubble.

研究の動機と目的

• 極めて UV 輝度の Lyα 発光体が z≈8.7 で大規模銀河過剰密度に所在するかを評価する。
• 潜在的なイオン化源とバブルサイズを特徴づけるために暗い隣接銀河をマッピングする。
• EGSY8p7 および関連 LAE の周囲で過剰密度の振幅と規模を定量化し、電離バブルの特性を推定する。

提案手法

• 約85 arcmin^2 にわたる深い CEERS JWST/NIRCam 画像を用い、dropout 選択で z~8.7 Lyman-break galaxy 候補を同定する。
• JWST NIRCam 形 photometry を HST/ACS 光データと組み合わせて SED を構築し物理的特性を導出する。
• PSF の均質化と隣接星の減算を含む楕円 Kron photometry により、多波長で頑健なフォトメトリを確保する。
• 光学的 chi-squared とカラーカットを適用して z~8.4–9.1 候補を選択し、モック SED と Lyα EW 変動で完備性を評価する。
• BEAGLE SED モデルを用いて事前情報を z≥4 に置くことで高z 特性を表すように、フォト赤方偏移と恒星質量を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 faint で moderately UV-bright な銀河が z=8.7 の Lyα 発光体の周囲でクラスタリングし、大規模過剰密度を示すか？
• RQ2 LAE 周囲の過剰密度の射影空間スケールと振幅はどれくらいか、再電離時代の電離バブルのサイズになんという示唆を与えるか？
• RQ3 Lyα 発光と潜在的な過剰密度は周囲銀河のイオン化光子生産と逃走分率とどのように関連するか？

主な発見

• CEERS フィールドの2つのUV-bright LAE の周囲で z~8.4–9.1 の dropout 候補を 27 件識別、EGSY8p7 を含む。
• EGSY8p7 から 5 arcmin 以内に 13 候補が位置し、 separations ≲5 arcmin で銀河過剰密度が約 4 倍という結果を示す（ z~8.7 での射影的距離 ≈1.4 pMpc）。
• 10–15 arcmin の separations（約 2.7–4.1 pMpc 射影距離）は平均的な野外と整合的。
• Beagle モデルに基づく推定では、候補は MUV ≈ −21.2 から −19.1、恒星質量 ≈ 10^7.5–10^8.8 M⊙、高いイオン化効率（log(ξion*) ≈ 25.5–26.0 Hz erg−1）を持つ。
• 空間分布は定性的には両方の LAE を包含する R ≥ 2 pMpc の電離バブルを示唆する可能性があり、周囲の銀河集団が宇宙平均の約4倍、fesc ≳ 0.15 を ≳200 Myr 以上維持する場合に実現可能。