[論文レビュー] Seen and unseen: bursty star formation and its implications for observations of high-redshift galaxies with JWST

Guochao Sun, Claude‐André Faucher‐Giguère+2 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本論文はFIRE-2 cosmological zoom-inシミュレーションを用いて、低質量で高赤方偏移の銀河における爆発的な星形成がJWSTの観測可能性を高度に時間依存的にし、検出サンプルと連携する銀河特性に選択バイアスを導入することを示す。

ABSTRACT

Both observations and simulations have shown strong evidence for highly time-variable star formation in low-mass and/or high-redshift galaxies, which has important observational implications because high-redshift galaxy samples are rest-UV selected and therefore particularly sensitive to the recent star formation. Using a suite of cosmological "zoom-in" simulations at $z>5$ from the Feedback in Realistic Environments (FIRE) project, we examine the implications of bursty star formation histories for observations of high-redshift galaxies with JWST. We characterize how the galaxy observability depends on the star formation history. We also investigate selection effects due to bursty star formation on the physical properties measured, such as the gas fraction, specific star formation rate, and metallicity. We find the observability to be highly time-dependent for galaxies near the survey's limiting flux due to the SFR variability: as the star formation rate fluctuates, the same galaxy oscillates in and out of the observable sample. The observable fraction $f_\mathrm{obs} = 50\%$ at $z \sim 7$ and $M_{\star} \sim 10^{8.5}$ to $10^{9}\,M_{\odot}$ for a JWST/NIRCam survey reaching a limiting magnitude of $m^\mathrm{lim}_\mathrm{AB} \sim 29$-$30$, representative of surveys such as JADES and CEERS. JWST-detectable galaxies near the survey limit tend to have properties characteristic of galaxies in the bursty phase: on average, they show approximately 2.5 times higher cold, dense gas fractions and 20 times higher specific star formation rates at a given stellar mass than galaxies below the rest-UV detection threshold. Our study represents a first step in quantifying selection effects and the associated biases due to bursty star formation in studying high-redshift galaxy properties.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移銀河における爆発的な星形成の研究と、それがJWSTサーベイに及ぼす観測への示唆を動機づける。
• SFR変動性がJWST/NIRCamサーベイでの銀河の観測可能性に与える影響を定量化する。
• 推定されるガス分率、sSFR、金属量などの物理的特性に対する選択効果を評価する。
• JWSTサンプルの解釈に対する指針を提供し、初期銀河における爆発的SFHのさらなる研究を促進する。

提案手法

• z>5からz~12までのメインハロー内の中心銀河を解析する26個のFIRE-2高赤方偏移ズームインシミュレーションを使用する。
• 星粒子の形成時間と質量から断時SFRを考古学的方法で計算する。
• ネブラー放出とIGM減衰を含むJWSTモック光度を生成し、NIRCamバンドでの検出可能性を評価する。
• Lymanブレークより赤側での5σ超え検出が少なくとも2つ、青側での検出なしにて観測可能性を定義する。
• SMC様の消光を仮定し、経験的なAλ(M⋆)関係を用いて塵減衰を探索する。
• JADES-Deep、JADES-Medium、CEERSに類似するサーベイ深度に対して、M⋆と赤方偏移の関数として観測可能分布f_obsを評価する。

Figure 2: Impact of bursty SFH on the observability of two example galaxies, z5m11d and z5m12b from our simulations. Top: Time variability of the SFR evaluated for an averaging timescale of 10 Myr. Highlighted segments show the redshift intervals inspected below for the observability. Middle: Appare

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SFR変動性はJWSTによる高赤方偏 galaxiesの観測可能性にどのように影響するか？
• RQ2 UV選択サンプルにおいて爆発的な星形成が導く推定銀河特性にどんな選択効果が生じるか？
• RQ3 爆発性が観測可能性に最も強く影響する特徴的な恒星質量スケールは何か？
• RQ4 nebular emissionとIGM減衰は爆発的SFHが導入する観測バイアスをどのように修正するか？
• RQ5 ハロー質量関数で重み付けした場合、f_gas, CDおよびsSFRの観測偏差はロバストか？

主な発見

• 観測の限界 flux近傍の銀河ではSFR変動性により観測可能性が高度に時間依存的であり、 nebular emissionがこの効果を増幅する。
• z~7でM⋆が10^8.5–10^9 M⊙の範囲のJWST/NIRCamサーベイでm_AB,lim ~ 29–30に達する場合、観測可能分数f_obsは約50%。
• 検出限界近傍のJWST検出可能銀河は、非検出 counterpartsより、同じM⋆に対して冷たい高密度ガス分率を約2.5倍、sSFRを約20倍高く持つ傾向がある。
• 爆発性による選択バイアスはハロー質量関数で重み付けしても残存し、f_gas,CDは約0.4 dex、sSFRは約1.2 dex程度の同様のオフセットを生む。
• 爆発的SFHはUV光度関数に大きく影響し、結果として出現比と推定恒星質量の推定に偏りを生じさせる；低質量・高赤方偏移銀河で特に顕著である。

Figure 3: The observable fraction, $f_{\mathrm{obs}}=N_{\mathrm{obs}}/N_{\mathrm{tot}}$ , defined as the ratio of detectable and total numbers of galaxies in each bin, of galaxies at $z=6$ to 12 for the three example JWST survey depths considered (left: CEERS; middle: JADES-Medium; right: JADES-Deep