[論文レビュー] The Burstiness of Star Formation at $z\sim6$: A Huge Diversity in the Recent Star Formation Histories of Very UV-faint Galaxies

Ryan Endsley, John Chisholm+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、JWSTおよびハッブル宇宙望遠鏡の画像を用いて、z∼6のリーマンブレイク銀河368個の星形成歴（SFH）を分析した。その結果、最も明るくない紫外線銀河（M_UV ≈ -17.4）は、明るい銀河よりもはるかに多様な最近のSFHを示しており、特に強いSFRの低下と低水準のHα/UV光度比を示している。結果として、星形成が断続的であることが一般的であり、10–30 MyrのスケールでUV等級が1–2マグニチュード急激に変動することが判明した。この現象が、z>10の高赤方偏移銀河の豊富な存在を説明している。

ABSTRACT

IRAC data have long implied that early ($z\gtrsim6$) galaxies often have very high specific star formation rates (sSFR$\gtrsim$30 Gyr$^{-1}$), but JWST data have shown that at least some early galaxies are forming stars far less vigorously. Here, we systematically analyze the recent star formation histories (SFHs) of a large ($N=368$) sample of $z\sim6$ Lyman-break galaxies (LBGs) spanning $-22\lesssim M_\mathrm{UV}\lesssim-16$ assembled from ACS+NIRCam imaging in the GOODS and Abell 2744 fields. We find that very low H$α$-to-UV luminosity ratios ($L_\mathrm{Hα}/L_\mathrm{UV}$) and strong recent downturns in star formation rate (SFR) are $\approx$5$ imes$ more common among the UV-faintest subset of our sample ($\langle M_\mathrm{UV} angle=-17.4$) compared to the brightest subset ($\langle M_\mathrm{UV} angle=-20.0$). The frequency of high $L_\mathrm{Hα}/L_\mathrm{UV}$ and strong recent SFR upturns is approximately constant with UV luminosity. We discuss how bursty SFHs naturally reproduce this much greater diversity in recent SFHs among very UV-faint galaxies. Using public NIRSpec/prism data, we newly confirm recent strong SFR downturns among three LBGs in our sample, and validate our photometric inferences on key SFH signatures among $z\sim6$ LBGs in general. Our results imply that early galaxies frequently cycle through phases of rapid stellar mass assembly and other periods of much slower growth. This yields huge ($\gtrsim$1-2 mag) fluctuations in $M_\mathrm{UV}$ on rapid ($\sim$10-30 Myr) timescales, helping explain the surprising abundance of $z>10$ galaxies. Finally, we caution that this burstiness causes all existing high-redshift samples (particularly line-selected samples) to be far less complete to galaxies with long recent phases of low sSFR than those currently undergoing a burst.

研究の動機と目的

• z∼6の非常に紫外線が弱い銀河における最近の星形成歴（SFH）の多様性を理解すること。
• 一部の初期銀河で観測された星形成活動の低減と、IRACに基づくsSFR推定値との乖離を解明すること。
• なぜ最も明るくないz∼6銀河が、明るい銀河よりも強いSFR低下と低いL_Hα/L_UV比を示すのかを調査すること。
• 一部の銀河に対して公に提供されたNIRSpec/prismデータを用いて、光度的SFH推定の妥当性を検証すること。
• 断続的SFHが観測された高赤方偏移銀河（z>10）の豊富さに与える影響を評価すること。

提案手法

• 研究者たちは、GOODSおよびアベル2744銀河団領域のACS+NIRCam画像を分析し、M_UVが-22から-16の間のz∼6リーマンブレイク銀河368個のサンプルを構築した。
• 最近100 Myrの間のSFRの変化に注目して、光度分布関数（SED）フィッティングを用いて星形成歴（SFH）を推定した。
• 最近の星形成活動の指標として、Hα光度とUV光度の比（L_Hα/L_UV）を計算した。
• 特に、平均M_UV = -17.4の最も明るくないサブセットと、平均M_UV = -20.0の最も明るいサブセットの間で、SFR低下と上昇の頻度を比較した。
• サンプル内の3つのLBGに対して、公に提供されたNIRSpec/prism分光データを用いて、主なSFHの特徴を検証した。
• 断続的SFHがUV等級の変化に与える影響をモデル化し、変動のスケールと振幅を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ最も明るくないz∼6銀河は、明るい銀河よりも顕著に高い頻度でSFR低下と低いL_Hα/L_UV比を示すのか？
• RQ2 断続的星形成歴は、紫外線が弱いz∼6銀河における最近のSFHの多様性をどのように説明できるのか？
• RQ3 z∼6のLBGに対して光度的SFH推定が、NIRSpec/prism分光測定による直接的測定とどの程度一致するのか？
• RQ4 急速で断続的なSFHは、z>10の銀河の観測された豊富さにどのように寄与しているのか？
• RQ5 断続性は、特にライン選択型サンプルを含む高赤方偏移銀河調査の完全性にどのような影響を及えるのか？

主な発見

• z∼6リーマンブレイク銀河において、UVが最も弱いサブセット（⟨M_UV⟩ = -17.4）は、最も明るいサブセット（⟨M_UV⟩ = -20.0）に比べて、強い最近のSFR低下と低いL_Hα/L_UV比を示す頻度が約5倍高い。
• 強い最近のSFR上昇と高いL_Hα/L_UV比の頻度は、UV光度の範囲を問わずほぼ一定である。
• 断続的星形成歴は、最も明るくない銀河における観測されたSFHの多様性を自然に説明でき、急速な質量集積期と静穏期が交互に繰り返される。
• 本研究のサンプルに含まれる3つのLBGは、NIRSpec/prismデータにより新たに、強い最近のSFR低下を示すことが確認され、光度的SFH推定手法の妥当性が裏付けられた。
• 断続的SFHは、10–30 MyrのスケールでM_UVが1–2マグニチュード急激に変動させることを示し、z>10銀河の予想外の豊富さを説明する手がかりとなった。
• 既存の高赤方偏移銀河サンプル、特にライン選択型のものは、長期間にわたり低比星形成率（sSFR）が続く銀河を著しく欠落しており、断続的システムに偏っている。