[논문 리뷰] A Comprehensive Study on Galaxies at z~9-16 Found in the Early JWST Data: UV Luminosity Functions and Cosmic Star-Formation History at the Pre-Reionization Epoch

Yuichi Harikane, Masami Ouchi외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 02.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 22

한 줄 요약

본 논문은 초기 JWST NIRCam 데이터에서 z~9-16의 드롭아웃 은하 23개의 보안 샘플을 추출하고, UV 자광도 함수와 우주적 별형성 역사를 도출하며, 재이온화 이전의 별형성에 대한 시사점을 논의한다.

ABSTRACT

We conduct a comprehensive study on dropout galaxy candidates at $z\sim9-16$ using the first 90 arcmin$^2$ JWST/NIRCam images taken by the early release observations (ERO) and early release science (ERS) programs. With the JWST simulation images, we find that a number of foreground interlopers are selected with a weak photo-$z$ determination ($Δχ^2>4$). We thus carefully apply a secure photo-$z$ selection criterion ($Δχ^2>9$) and conventional color criteria with confirmations of the ERO NIRSpec spectroscopic redshifts, and obtain a total of 23 dropout galaxies at $z\sim9-16$, including two candidates at $z_\mathrm{phot}=16.25_{-0.46}^{+0.24}$ and $16.41_{-0.55}^{+0.66}$. We perform thorough comparisons of dropout galaxies found in our work with recent JWST studies, and conclude that our galaxy sample is reliable enough for statistical analyses. We derive the UV luminosity functions at $z\sim9-16$, and confirm that our UV luminosity functions at $z\sim 9$ and $12$ agree with those determined by other HST and JWST studies. The cosmic star-formation rate density decreases from $z\sim9$ to $12$, and perhaps to $16$, but the densities at $z\sim12-16$ are higher than the constant star formation efficiency model. Interestingly, there are six bright galaxy candidates at $z\sim10-16$ with $M_\mathrm{UV}<-19.5$ mag and $M_*\sim10^{8-9} M_\odot$. Because a majority ($\sim80$\%) of these galaxies show no signatures of AGNs in their morphologies, the high cosmic star-formation rate densities and the existence of these UV-luminous galaxies are explained by no suppression of star-formation by the UV background radiation at the pre-reionization epoch and/or an efficient UV radiation production by a top-heavy IMF with Population III-like star formation.

연구 동기 및 목표

• 초기 JWST NIRCam 데이터를 사용하여 z~9-16의 드롭아웃 은하 후보를 특성화한다.
• z~9-16의 UV 자광도 함수를 도출하고 이전 HST/JWST 결과와 비교한다.
• 우주적 별형성률 밀도(SFRD)를 추정하고 모델과 비교한다.
• 재이온화 이전 시대의 물리적 성질과 잠재적 별형성 효율을 평가한다.

제안 방법

• ERO 및 ERS 필드 전체에 걸친 JWST NIRCam 데이터에서 ~90 arcmin^2에 달하는 다중 밴드 카탈로그를 구축한다.
• 컬러 기준과 PSF-매치 페토그래피를 사용한 보안 드롭아웃 선정을 적용하여 F115W, F150W, 및 F200W 드롭아웃을 식별한다.
• Prospector로 SED 피팅을 수행하여 포토메트릭 적색편수를 얻고 Delta chi^2 > 9를 엄격히 적용하여 고-z 해를 저-z 간섭체로부터 분리한다.
• 이용 가능한 NIRSpec 적색편과 시뮬레이션된 JWST 데이터로 Delta chi^2 임계값과 샘플 신뢰도를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JWST/NIRCam 드롭아웃에서 추정한 z~9, 12, 16의 준(rest-frame) UV 자광도 함수는 무엇인가?
• RQ2 재이온화 이전 시대에서 z~9에서 z~16으로의 우주적 별형성률 밀도(SFRD)는 어떻게 진화하는가?
• RQ3 UV 배경하에서 효율적인 별형성과 일치하는 UV-밝고 질량이 큰 은하가 z~10-16에 존재하는가?
• RQ4 JWST로부터 도출된 결과가 일정한 별형성 효율 모델과 일치하는가 아니면 이를 바꾸는가?

주요 결과

• z~9-16에서 드롭아웃 은하 23개의 보안 샘플이 확인되었으며, z_phot ≈ 16.25 및 16.41인 두 후보가 포함된다.
• z~9 및 z~12의 UV 자광도 함수는 다른 HST 및 JWST 연구에서 결정된 결과와 일치한다.
• 우주적 별형성률 밀도는 z~9에서 z~12로 감소하고 어쩌면 z~16까지도 감소하며, z~12-16의 밀도는 일정한 별형성 효율 모델보다 높다.
• z~10-16에서 M_UV < -19.5 mag, M_* ~ 10^8-10^9 Msun의 밝은 후보 여섯 명이 있으며, 형태학에서 대부분 AGN 신호가 보이지 않는다.
• 결과는 재이온화 이전 시점에서 UV 배경 방사에 의한 별형성 억제가 없거나 Population III 유사 별형성의 상향 조정 IMF에 의한 UV 생산이 효율적임을 시사한다.
• 다른 JWST 연구 및 가능할 경우 분광적 적색편과의 비교를 통해 신뢰성을 입증한다.