[論文レビュー] On the ages of bright galaxies $\sim 500$ Myr after the Big Bang: insights into star formation activity at $z \gtrsim 15$ with JWST

Lily Whitler, Ryan Endsley+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、JWSTの向上したレスト光学感度を活用して、$ z \sim 8.5-11 $ のUV明るい銀河7個の年齢と星形成歴を分析し、中央値として約20 Myrの年齢を推定した。$ z \sim 8.5-11 $ から $ z \gtrsim 15 $ にかけて、明るい銀河の数密度が約30倍低下すると予測され、星形成活動の早期の急激な減少を示唆している。

ABSTRACT

With JWST, new opportunities to study the evolution of galaxies in the early Universe are emerging. Spitzer constraints on rest-optical properties of $z\gtrsim7$ galaxies demonstrated the power of using galaxy stellar masses and star formation histories (SFHs) to indirectly infer the cosmic star formation history. However, only the brightest individual $z\gtrsim8$ objects could be detected with Spitzer, making it difficult to robustly constrain activity at $z\gtrsim10$. Here, we leverage the greatly improved rest-optical sensitivity of JWST at $z\gtrsim8$ to constrain the ages of seven UV-bright ($M_{UV}\lesssim-19.5$) galaxies selected to lie at $z\sim8.5-11$, then investigate implications for $z\gtrsim15$ star formation. We infer the properties of individual objects with two spectral energy distribution modelling codes, then infer a distribution of ages for bright $z\sim8.5-11$ galaxies. We find a median age of $\sim20$ Myr, younger than that inferred at $z\sim7$ with a similar analysis, consistent with an evolution towards larger specific star formation rates at early times. The age distribution suggests that only $\sim3$ percent of bright $z\sim8.5-11$ galaxies would be similarly luminous at $z\gtrsim15$, implying that the number density of bright galaxies declines by at least an order of magnitude between $z\sim8.5-11$ and $z\sim15$. This evolution is challenging to reconcile with some early JWST results suggesting the abundance of bright galaxies does not significantly decrease towards very early times, but we suggest this tension may be eased if young stellar populations form on top of older stellar components, or if bright $z\sim15$ galaxies are observed during a burst of star formation.

研究の動機と目的

• JWSTの向上したレスト光学感度を用いて、$ z \sim 8.5-11 $ の明るい銀河の年齢と星形成歴（SFH）を制約すること。
• これらの年齢制約が、宇宙暁期の $ z \gtrsim 15 $ における星形成活動に与える影響を推定すること。
• $ z \sim 8.5-11 $ から $ z \gtrsim 15 $ にかけての明るい銀河の数密度の進化を評価すること。
• 予測された明るい銀河の豊度の低下を、高赤方偏移域で数密度にほとんど変化がないと示唆する初期JWST観測結果と調和させること。
• 若い星形成塊が古い構成要素の上に形成されるか、または短命の星形成バーストが発生する場合、高赤方偏移域の候補数との整合性が高まるかどうかを評価すること。

提案手法

• JWST/NIRCamの光度分布を用いて、銀河の性質を推定するための2つの独立したコード（beagle と Prospector）を用いたスペクトルエネルギー分布（SED）モデリング。
• パラメトリックでないSFHモデルの適用により、特定の関数形を仮定せずに、データ駆動型の星形成歴再構築を可能にする。
• ベイズ推論とネストドサンプリング（MultiNest）を用いて、パラメータ空間を探索し、年齢とSFHの事後分布を導出する。
• 赤方偏移 $ z \sim 15 $ で明るいままでいられる十分に古い星形成塊（>270 Myr）を持つ $ M_{\textsc{uv}} \approx -20 $ の銀河の割合を推定する。
• 推定された年齢分布を、初期銀河進化の理論的期待と宇宙星形成歴の制約と比較する。
• モデリングの仮定や光度測定の不確実性に対する感度分析により、結果の頑健性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UV明るい銀河の年齢は $ z \sim 8.5-11 $ でどの程度推定されるか。また、それらは低赤方偏移域の銀河と比べてどう異なるか。
• RQ2 これらの銀河の年齢分布が、$ z \gtrsim 15 $ における明るい銀河の数密度の低下をどの程度示唆するか。
• RQ3 観測された $ z \gtrsim 12 $ の候補の豊度は、予測された明るい銀河数の急激な減少と調和できるか。
• RQ4 若い星形成塊が古い構成要素の上に形成されるか、または星形成バースト中に発生する場合、高赤方偏移域の銀河数の解釈にどのような影響を与えるか。
• RQ5 これらの年齢とSFHの推定は、$ z \gtrsim 15 $ における宇宙星形成歴にどのような制約を課えるか。

主な発見

• 7個の $ z \sim 8.5-11 $ の銀河の中央値年齢は約20 Myrであり、非常に最近の星形成活動を示している。
• この年齢は、$ z \sim 7 $ の類似銀河で推定された年齢よりも顕著に若く、初期宇宙における星形成率の増加と整合する。
• $ z \sim 8.5-11 $ の $ M_{\textsc{uv}} \approx -20 $ の銀河のうち、約3％しか、$ z \sim 15 $ で明るいままでいられる十分に古い星形成塊（>270 Myr）を有していない。
• これは、$ z \sim 8.5-11 $ から $ z \gtrsim 15 $ にかけて明るい銀河の数密度が約30倍低下することを示唆し、初期の星形成活動の急激な減少を示している。
• 予測された低下は、$ z \gtrsim 12 $ で明るい銀河の豊度にほとんど変化がないと示唆する一部の初期JWST結果と矛盾しており、潜在的な矛盾を示している。
• この矛盾は、$ z \gtrsim 15 $ の銀河が若い星形成塊を古い構成要素の上に持つ、または一時的な星形成バースト中に観測されている場合に解消される可能性がある。