[논문 리뷰] A JWST investigation into the bar fraction at redshifts 1 < z < 3

Zoe A Le Conte, Dimitri A. Gadotti외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 18.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 JWST의 깊은 적외선 영역 이미징을 사용하여 1 ≤ z ≤ 3 범위의 원판은 방형 은하에서 바의 비율을 측정하며, z ≤ 2에서 약 19%에서 z > 2로의 감소가 뚜렷하게 나타나며, 이는 약 110억 년 전에 바 기반 진화가 시작되었음을 시사한다. 결과적으로 JWST는 HST보다 복귀된 적외선 영역 감도가 뛰어나 바의 노란색 별 집합체를 더 잘 감지하여 바 탐지율이 3–4배 높게 나타났다.

ABSTRACT

The presence of a stellar bar in a disc galaxy indicates that the galaxy hosts in its main part a dynamically settled disc and that bar-driven processes are taking place in shaping its evolution. Studying the cosmic evolution of the bar fraction in disc galaxies is therefore essential to understand galaxy evolution in general. Previous studies have found, using the Hubble Space Telescope (HST), that the bar fraction significantly declines from the local Universe to redshifts near one. Using the first four pointings from the James Webb Space Telescope (JWST) Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS) and the initial public observations for the Public Release Imaging for Extragalactic Research (PRIMER), we extend the studies of the bar fraction in disc galaxies to redshifts $1 \leq z \leq 3$, i.e., for the first time beyond redshift two. We only use galaxies that are also present in the Cosmic Assembly Near-IR Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) on the Extended Groth Strip (EGS) and Ultra Deep Survey (UDS) HST observations. An optimised sample of 368 close-to-face-on galaxies is visually classified to find the fraction of bars in disc galaxies in two redshift bins: $1 \leq z \leq 2$ and $2 < z \leq 3$. The bar fraction decreases from $\approx 17.8^{+ 5.1}_{- 4.8}$ per cent to $\approx 13.8^{+ 6.5}_{- 5.8}$ per cent (from the lower to the higher redshift bin), but is about twice the bar fraction found using bluer HST filters. Our results show that bar-driven evolution might commence at early cosmic times and that dynamically settled discs are already present at a lookback time of $\sim 11$ Gyrs.

연구 동기 및 목표

• 적색편이 1 ≤ z ≤ 3 범위에서 원판은 방형 은하의 바 비율의 우주적 진화를 측정하며, 이는 이전 HST 연구가 약 z ≈ 1까지 도달한 것을 넘어서는 것이다.
• 바 기반 과정이 은하 진화를 이끄는 바가 고적색편이 은하에서 이미 활성화되어 있었는지 확인하기 위해, 초기 우주에서의 바 존재 여부를 조사한다.
• HST(F160W, 복귀된 적외선 영역)와 JWST(F444W, 복귀된 근적외선 영역) 간의 바 탐지 효율을 비교하여 관측 파장이 바의 가시성에 미치는 영향을 평가한다.
• 투시도 효과와 기울기 편향을 최소화하기 위해 신뢰할 수 있는 광학적 적색편이를 가진 얼굴이 보이는 원판은 방형 은하의 견고한 시각적 분류 샘플을 확립한다.
• 110억 년 이상의 시공간적 후퇴 시간에 이르러 다이내믹스적으로 안정된 원판과 바가 이미 존재했는지 판단함으로써 초기 구조적 진화를 시사한다.

제안 방법

• JWST CEERS 및 PRIMER 조사에서 유래한 은하 중 HST CANDELS(EGS 및 UDS 영역)에 포함된 은하를 선별하여 다중 파장 커버리지의 일관성을 확보한다.
• 경사도 절단(i ≤ 60°)을 적용하여 편측 은하를 제외하여 바의 형태학적 탐지에 의문을 줄인다.
• JWST NIRCam의 가장 긴 파장 필터(F444W)를 사용하여 복귀된 근적외선 빛을 추적함으로써 바 내의 노후된 별 집합체에 대한 감도를 극대화한다.
• 다섯 명의 공동 저자들이 768개의 최적화된 얼굴이 보이는 원판은 방형 은하를 시각적으로 분류하였으며, 이so파탈 타원도 및 위치각 프로파일을 사용하여 바를 식별하였다.
• 동일한 부모 샘플에서 JWST F444W로 유도된 바 비율과 HST F160W로 유도된 바 비율을 비교하여 파장 의존적 탐지 편향을 정량화하였다.
• 적색편이 이중 범위(1 ≤ z ≤ 2 및 2 < z ≤ 3)에서 바 비율을 계산하였으며, 견고한 광학적 적색편이와 오차 전파를 적용하였다.

Figure 1: Elliptical isophotal fits using the module photutils.isophote from Python’s astropy package (Bradley et al., 2022 ) to logarithmic F444W NIRCam images of the galaxy EGS_23205 at redshift $z\sim 2.12$ . The left-hand side shows the F444W image annotated with the pixel coordinates (top) and

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JWST의 복귀된 근적외선 영역 이미징을 사용하여 적색편이 1 ≤ z ≤ 3 범위에서 원판은 방형 은하의 바 비율은 얼마인가요?
• RQ2 z ≤ 2에서 z > 2로의 바 비율 변화는 어떻게 되며, 초기 우주 시기에는 연속적인 감소인지, 또는 정체 상태인지 여부는 무엇인가요?
• RQ3 복귀된 근적외선(JWST F444W)에서 관측하는 것이 복귀된 적외선 영역(HST F160W)에 비해 바 탐지에 얼마나 향상되는가요?
• RQ4 고적색편이 은하에서 바의 최초 탐지 기반으로 볼 때, 바 기반 은하 진화는 대략 언제 시작되었는가?
• RQ5 z > 2에서 다이내믹스적으로 안정된 원판과 강력한 바를 가진 은하가 이미 존재하는가? 이는 거대 은하에서의 초기 구조적 진화를 시사하는가?

주요 결과

• 원판은 방형 은하의 바 비율은 1 ≤ z ≤ 2에서 약 ~18.9⁺⁹.⁷₋₉.⁴%이며, 2 < z ≤ 3에서는 ~6.6⁺⁷.¹₋₅.⁹%로 감소하여 적색편이가 증가할수록 뚜렷한 감소 경향을 보인다.
• JWST F444W는 동일한 적색편이 범위에서 HST F160W보다 약 3–4배 더 높은 바 비율을 탐지하며, 복귀된 근적외선 영역 이미징이 바 탐지에 훨씬 효과적임을 입증한다.
• 이 연구는 z ≈ 2.3 및 z ≈ 2.8에서 바가 있는 은하를 탐지하여, 110억 년 이상의 후퇴 시간에 바가 존재했음을 확인함으로써 바 기반 진화가 초기 우주에서 이미 시작되었음을 시사한다.
• 최적화된 샘플의 원판 비율은 f_D ≈ 0.40 ± 0.14로, 샘플의 약 40%만 원판형에 가까운 것으로 나타나, 바 비율 결과를 해석하는 데 핵심적이다.
• 결과는 바 기반 과정(예: 가스 유입 및 운동량 재분포)이 z > 2에서 다이내믹스적으로 안정된 거대 은하의 원판에서 이미 활성화되어 있었음을 시사한다.
• 이 연구는 바 내의 노후된 별 집합체가 복귀된 근적외선 영역에서 가장 잘 추적될 수 있으며, 이전 HST 기반 연구들이 감도 및 파장 제한으로 인해 실제 바 비율을 과소평가했을 가능성이 있음을 확인한다.

Figure 2: Rest-frame NIR logarithmic images of three disc (top row) and non-disc (bottom row) galaxies. The three exemplars for each classification, with IDs in the lower right of the NIRCam F444W image, are shown in the JWST NIRCam F444W (left) and HST WFC3 F160W (right).