[論文レビュー] Size - Stellar Mass Relation and Morphology of Quiescent Galaxies at $z\geq3$ in Public $JWST$ Fields

Kei Ito, Francesco Valentino+20 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、JWST/NIRCam画像を用いて、z≥3の26個の静止銀河のサイズ-質量関係と形態を分析し、サイズ-波長負の相関およびM⋆=5×10¹⁰ M☉におけるrest-frame 0.5 μmのサイズ-質量関係が、局所関係より約0.6 kpc下方に位置することを明らかにした。結果は、z≈3–5にわたり単調なサイズ成長を示し、形態の進化はz>3でバルジ優勢構造への移行を示唆する。

ABSTRACT

We present the results of a systematic study of the rest-frame optical morphology of quiescent galaxies at $z \geq 3$ using the Near-Infrared Camera (NIRCam) onboard $JWST$. Based on a sample selected by $UVJ$ color or $NUVUVJ$ color, we focus on 26 quiescent galaxies with $9.8<\log{(M_\star/M_\odot)}<11.4$ at $2.810.3$ implies that our size - stellar mass relations are below those at lower redshifts, with the amplitude of $\sim0.6\, { m kpc}$ at $M_\star = 5 imes 10^{10}\, M_\odot$. This value agrees with the extrapolation from the size evolution of quiescent galaxies at $z<3$ in the literature, implying that the size of quiescent galaxies increases monotonically from $z\sim3-5$. Our sample is mainly composed of galaxies with bulge-like structures according to their median Sérsic index and axis ratio of $n\sim3-4$ and $q\sim0.6-0.8$, respectively. On the other hand, there is a trend of increasing fraction of galaxies with low Sérsic index, suggesting $3

研究の動機と目的

• JWST/NIRCamデータを用いて、z≥3の静止銀河のrest-frame光学的形態を調査すること。
• 高赤方偏移の静止銀河のサイズ-質量関係を測定し、低赤方偏移の関係と比較すること。
• Sérsicプロファイルフィッティングを通じて、z≈3からz≈5にかけての静止銀河の構造的進化を評価すること。
• この期間中に、形態的変容、特にディスク成分の出現が起こるかどうかを特定すること。

提案手法

• 2.8<zphot<4.6および9.8<log(M⋆/M☉)<11.4を満たす公開JWSTフィールドから、UVJまたはNUVUVJ色選択により26個の静止銀河を選定。
• Galfitを用いて多バンドNIRCam画像にSérsicプロファイルをフィッティングし、有効半径、Sérsic指数、軸比を測定。
• 波長依存のサイズバイアスを補正するために、観測バンド測定値からextrapolateしてrest-frame 0.5 μmのサイズを補正。
• フィッティング品質はフラグおよびブートストラップ不確実性を用いて評価；小型サイズ（re<0.02 arcsec）の検証にはモック銀河シミュレーションを活用。
• 導出されたサイズ-質量関係を、低赤方偏移関係（例：z<3）と比較して、サイズ進化の傾向を推定。
• 特に赤方偏移ビンごとにSérsic指数および軸比分布を用いて、形態的傾向を分析。

Figure 1: Color images of all quiescent galaxies used in this study. F277W, F356W, and F444W images are used for blue, green, and red, respectively. All images are $4.0\arcsec\times 4.0\arcsec$ centered on each quiescent galaxy. They are sorted according to their photometric redshift. At the bottom

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z≥3の静止銀河のrest-frame 0.5 μmサイズ-質量関係は、低赤方偏移銀河と比べてどのように異なるか？
• RQ2 高赤方偏移の静止銀河の構造的形態（Sérsic指数、軸比）は何か？ そして赤方偏移とともにどのように進化するか？
• RQ3 z≈3からz≈5の間には、形態的変容のエポックが存在するか？ 特にディスク成分の出現が観測されるか？
• RQ4 異なるバンドでのサイズ測定値はどの程度相関するか？ また、これによりrest-frameサイズ補正にどのような影響を与えるか？
• RQ5 PSF分解能限界に近いコンパクトでSN比が低い銀河のサイズ測定はどの程度頑健か？

主な発見

• z≥3の静止銀河のサイズ-質量関係は、M⋆=5×10¹⁰ M☉において局所関係より約0.6 kpc下方に位置しており、z≈3–5にわたるサイズ進化と整合的である。
• z≥3の銀河は、rest-frame 0.5 μmサイズと星形成質量の間で顕著な相関を示し、中央のSérsic指数はn≈3–4、軸比はq≈0.6–0.8であるため、バルジ様形態を示している。
• 高赤方偏移（3<z<5）でSérsic指数が小さい（n<3）銀河の割合が増加する傾向は、顕著なディスク成分を有する形態的移行期を示唆する。
• 複数バンドでのサイズ測定値は観測波長と負の相関を示し、rest-frameサイズを導出するには多バンドフィッティングが必要である。
• z≥3のサイズ-質量関係は、z<3からのサイズ進化の外挿と整合的であり、z≈5から現在にかけて連続的なサイズ成長が示唆される。
• 頑健性テストにより、コンパクト銀河（re≈0.02 arcsec）でさえも、サイズおよび構造的パラメータ測定が信頼できることが確認された。

Figure 2: Left panel: $UVJ$ diagram (Williams et al., 2009 ) . Squares represent quiescent galaxies selected by the $UVJ$ only, whereas circles represent those selected by $UVJ$ and $NUVUVJ$ . They are colored according to their photometric redshift, and the markers are larger for more massive galax