[論文レビュー] RUBIES Reveals a Massive Quiescent Galaxy at z=7.3

Andrea Weibel, Anna de Graaff+27 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

この研究は z=7.29 の巨大準不動態銀河 RUBIES-UDS-QG-z7 の分光学的確認を報告し、星質量、急速な初期形成、コンパクトなサイズ、および早期クエンチングと銀河形成モデルへの影響を詳述する。

ABSTRACT

We report the spectroscopic discovery of a massive quiescent galaxy at $z_{ m spec}=7.29\pm0.01$, just $\sim700\,$Myr after the Big Bang. RUBIES-UDS-QG-z7 was selected from public JWST/NIRCam and MIRI imaging from the PRIMER survey and observed with JWST/NIRSpec as part of RUBIES. The NIRSpec/PRISM spectrum reveals one of the strongest Balmer breaks observed thus far at $z>6$, no emission lines, but tentative Balmer and Ca absorption features, as well as a Lyman break. Simultaneous modeling of the NIRSpec/PRISM spectrum and NIRCam and MIRI photometry (spanning $0.9-18\,μm$) shows that the galaxy formed a stellar mass of log$(M_*/M_\odot)=10.23^{+0.04}_{-0.04}$ before $z\sim8$, and ceased forming stars $50-100\,$Myr prior to the time of observation, resulting in $\log( m{sSFR/Gyr}^{-1})<-1$. We measure a small physical size of $209_{-24}^{+33}\,{ m pc}$, which implies a high stellar mass surface density within the effective radius of $\log(Σ_{*, m e}/M_\odot\,kpc^{-2})=10.85_{-0.12}^{+0.11}$ comparable to the highest densities measured in quiescent galaxies at $z\sim2-5$. The 3D stellar mass density profile of RUBIES-UDS-QG-z7 is remarkably similar to the central densities of local massive ellipticals, suggesting that at least some of their cores may have already been in place at $z>7$. The discovery of RUBIES-UDS-QG-z7 has strong implications for galaxy formation models: the estimated number density of quiescent galaxies at $z\sim7$ is $>100 imes$ larger than predicted from any model to date, indicating that quiescent galaxies have formed earlier than previously expected.

研究の動機と目的

• JWSTデータを用いて、最高赤方偏移での大質量準不動態銀河の探索を動機付ける。
• RUBIES-UDS-QG-z7 の星の成分履歴と星形成のクエンチング時系列を特徴づける。
• 銀河の構造的特性を定量化し、赤shifts全体で known な高密度の準不動態系と比較する。
• 銀河形成モデルと初期の準不動態銀河の予想数密度への影響を評価する。

提案手法

• JWST/NIRCam および MIRI の画像（PRIMER データセット）から高赤shiftsの準不動態候補を選択する。
• JWST/NIRSpec PRISM スペクトルを取得し、msaexp パイプラインでデータを処理し、フラックス較正と bar shadow 補正を含める。
• 非パラメトリックSFHとKriek–Conroyの塵減衰モデルを用い、Prospectorでベイズ的SEDフィティングを行う（FSPS/MILES/MIST, Chabrier IMF）。
• NIRSpecスペクトルとNIRCam/MIRI光度観測（0.9–18 µm）を同時フィットして、赤shift、星質量、金属量、塵、SFHを制約する。
• rest-frame Optical/UV 画像の deprojected Sérsic フィットから Abel 変換を用いて星質量密度と3D密度プロファイルを導出する。
• 金属量事前分布や可能なα増強を含む不確かさと系統的効果を評価する。

Figure 1: NIRSpec/PRISM Spectrum of RUBIES-UDS-QG-z7. Top: 2D SNR spectrum. Bottom: 1D spectrum of RUBIES-UDS-QG-z7 in red, with 1 $\sigma$ uncertainties in gray. The NIRCam photometry is shown as orange dots and the best-fitting SED from prospector in blue (see Section 3 ). A zoom-in to the region

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RUBIES-UDS-QG-z7 は z>7 の bona fide 巨大な準不動態銀河であり得るか、 its stellar mass and star formation history はどうか？
• RQ2 このような初期の準不動態系の構造特性と星質量密度はどのようで、後の時代と比較してどうか？
• RQ3 推定された形成・クエンチング時系列は、初期宇宙における巨大準不動態銀河の形成シナリオに何を示唆するか？

主な発見

項目	基準値	高-z
z_spec	7.287^{+0.007}_{-0.006}	7.290^{+0.005}_{-0.006}
log(M*/M_sun)	10.23^{+0.04}_{-0.04}	10.19^{+0.04}_{-0.04}
log(Σ*,e / M_sun kpc^-2)	10.85^{+0.11}_{-0.12}	10.80^{+0.11}_{-0.12}
SFR (M_sun/yr) at 10	0.64^{+0.83}_{-0.60}	1.08^{+1.55}_{-0.98}
SFR (M_sun/yr) at 50	0.83^{+11.11}_{-0.76}	2.13^{+5.54}_{-1.92}
SFR (M_sun/yr) at 100	0.84^{+20.16}_{-0.78}	48.89^{+21.12}_{-13.04}
A_V (mag)	0.34^{+0.08}_{-0.09}	0.27^{+0.09}_{-0.07}
t50 (Gyr)	0.20^{+0.07}_{-0.02}	0.16^{+0.03}_{-0.02}
t90 (Gyr)	0.12^{+0.01}_{-0.01}	0.07^{+0.01}_{-0.01}
log(Z/Z_sun)	-0.94^{+0.05}_{-0.04}	0.07^{+0.08}_{-0.11}

• Spectroscopic redshift of z_spec = 7.29 ± 0.01 with a strong Balmer break and absence of emission lines, indicating quiescence.
• log(M*/M_sun) = 10.23 ± 0.04 (fiducial), corresponding to a stellar mass ~1.7 × 10^10 M_sun.
• Star formation history shows a rapid burst at z ~ 8–9 (~100–200 Myr) with SFR ~100 M_sun/yr, quenching by z ~ 8 and negligible SFR in the last ~50 Myr.
• Extremely compact size with effective radius R_e ≈ 209^{+33}_{-24} pc, yielding a high stellar mass surface density log(Σ*,e / M_sun kpc^-2) = 10.85^{+0.11}_{-0.12}.
• 3D mass density profile comparable to the cores of local massive ellipticals, suggesting some central densities were already in place by z > 7.
• Number density implications: the observed population implies >100× higher number density of quiescent galaxies at z ~ 7 than predicted by current models.

Figure 2: Top: NIRCam and MIRI imaging cutouts of RUBIES-UDS-QG-z7. Middle: The posterior median SED from prospector along with the NIRCam + MIRI photometry, which constrains the fit over the rest-frame optical to near-infrared. Bottom: Fitted non-parametric SFHs for the fiducial model ( $Z=0.11\,{\