[論文レビュー] The Star-forming and Ionizing Properties of Dwarf z~6-9 Galaxies in JADES: Insights on Bursty Star Formation and Ionized Bubble Growth

Ryan Endsley, Daniel P. Stark+38 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 32

ひとこと要約

この研究は深い JADES/NIRCam 観測を用いて rest-UV から optical の SED を統計的に特徴づけ、z∼6–9 の 756 個の暗い銀河の星形成歴、nebular emission、金属量、イオン化特性を制約する。

ABSTRACT

Reionization is thought to be driven by faint star-forming galaxies, but characterizing this population has long remained very challenging. Here we utilize deep nine-band NIRCam imaging from JADES to study the star-forming and ionizing properties of 756 $z\sim6-9$ galaxies, including hundreds of very UV-faint objects ($M_\mathrm{UV}>-18$). The faintest ($m\sim30$) galaxies in our sample typically have stellar masses of $M_\ast\sim(1-3) imes10^7$ $M_\odot$ and young light-weighted ages ($\sim$50 Myr), though some show strong Balmer breaks implying much older ages ($\sim$500 Myr). We find no evidence for extremely massive galaxies ($>3 imes10^{10}$ $M_\odot$). We infer a strong (factor $>$2) decline in the typical [OIII]$+$H$β$ EWs towards very faint $z\sim6-9$ galaxies, yet a weak UV luminosity dependence on the H$α$ EWs at $z\sim6$. We demonstrate that these EW trends can be explained if fainter galaxies have systematically lower metallicities as well as more recently-declining star formation histories relative to the most UV-luminous galaxies in our sample. Our data provide evidence that the brightest galaxies are frequently experiencing a recent strong upturn in SFR. We also discuss how the EW trends may be influenced by a strong correlation between $M_\mathrm{UV}$ and Lyman continuum escape fraction. This alternative explanation has dramatically different implications for the contribution of galaxies along the luminosity function to cosmic reionization. Finally, we quantify the photometric overdensities around two $z>7$ strong Ly$α$ emitters. One Ly$α$ emitter lies close to a strong photometric overdensity while the other shows no significant nearby overdensity, perhaps implying that not all strong $z>7$ Ly$α$ emitters reside in large ionized bubbles.

研究の動機と目的

• rest-UV から rest-optical SED を用いて非常に暗い z∼6–9 銀河の物理的性質（星形成質量、年齢、金属量）を定量化する。
• この低光度銀河で nebular line emission が短 timescale の星形成変動を追跡するかを評価する。
• UV 光度、金属量、星形成履歴、Lyman continuum エスケープの関係を調べる。
• 暗い銀河集団が宇宙の再電離とイオン化バブルの成長にどう寄与するかを探る。
• z>7 の Lyα 発光体周辺の光観測環境を調べ、銀河集団とイオン化領域の結びつきを検討する。

提案手法

• GOODS-S および GOODS-N で JADES からの 9 バンド深域 JWST/NIRCam 観測を活用し、14 バンドの ACS+NIRCam 光度計測を構築する。
• z∼6–9 銀河を、2 つの赤方偏移ビン（z∼6 および z∼7–9）での Lyman-break dropout カラー選択により同定する。
• four つの photoionization ベースの SED モデルセット（CSFH with BEAGLE, TcSFH with BEAGLE, prospector continuity, and prospector bursty priors）でフォトメトリを適合させ、恒星質量・年齢・金属量・イオン化パラメータを推定する。
• 一貫した prior フレームワーク（Chabrier IMF、SMC ダスト、質量・年齢・金属量・イオン化パラメータの指定範囲）を課し、Inoue ら（2014）の IGM 減衰を採用する。
• 近傍星 subtraction および PSF 対応の光度計測を組み込み、全バンドで暗い源をロバストに測定する。
• rest-optical nebular line 強度（[OIII]+Hβ、Hα）を光度計測的に制約し、爆発性とイオン化出力を探る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非常に UV 弱い z∼6–9 銀河集団の星質量、年齢、金属量はどれくらいか。
• RQ2 z∼6–9 銀河は短い時間スケール（数 Myr 程度）の爆発的星形成履歴の証拠を示すか。
• RQ3 この集団内で nebular emission line 強度とイオン化パラメータは UV 光度と赤方偏移とどのように変化するか。
• RQ4 LyC エスケープを介した再电離推進における低光度銀河の役割はどれほどか。
• RQ5 z>7 の強い Lyα 発光体は大規模な ionized overdensity に位置するのか、それとも近くのバブルが顕著でない場所にもあり得るのか。

主な発見

• 最も暗い z∼6–9 銀河は通常、恒星質量が約 (1–3)×10^7 M⊙、ライトウェイティッド年齢が約 50 Myr であるが、Balmer ブレを示すものは年齢が約 500 Myr を示唆する。
• 最も暗い銀河へ向かう方向で [OIII]+Hβ の典型的な等価幅が>2×顕著に低下する一方、z∼6 で Hα EW の UV 光度依存性は弱い。
• 観測された EW 傾向は、低金属量とより最近低下するSFHにより説明でき、明るい系で爆発的な活動と整合する。
• MUV と Lyman continuum エスケープ分数の間に潜在的な相関があり、再電離への銀河の寄与を大きく左右する可能性があるため、深いスペクトroscopic follow-up が必要。
• z>7 の Lyα 発光体周囲の光学的過密は混在しており、一方は強い過密域の近くにあり、もう一方は顕著な近傍過密が見られない。すべての z>7 Lyα 発光体が大規模なイオン化バブルに位置するわけではないことを示唆する。