[논문 리뷰] A population of red candidate massive galaxies ~600 Myr after the Big Bang

Ivo Labbé, Pieter van Dokkum외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 25.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 36

한 줄 요약

JWST CEERS NIRCam 데이터를 사용한 연구는 z ~ 7.4–9.1에서 대량의 후보적 적색 은하 6개를 식별(질량 1e10 Msun 이상; 잠재적으로 최대 ~1e11 Msun)으로, 초기 우주에서 질량 밀도가 예상보다 높았음을 시사.

ABSTRACT

Galaxies with stellar masses as high as $\sim 10^{11}$ solar masses have been identified out to redshifts $z \sim 6$, approximately one billion years after the Big Bang. It has been difficult to find massive galaxies at even earlier times, as the Balmer break region, which is needed for accurate mass estimates, is redshifted to wavelengths beyond $2.5\mum$. Here we make use of the $1-5\mum$ coverage of the JWST early release observations to search for intrinsically red galaxies in the first ~750 million years of cosmic history. In the survey area, we find six candidate massive galaxies (stellar mass $>10^{10}$ solar masses) at $7.4 < z < 9.1$, 500 - 700 Myr after the Big Bang, including one galaxy with a possible stellar mass of $\sim 10^{11}$ solar masses. If verified with spectroscopy, the stellar mass density in massive galaxies would be much higher than anticipated from previous studies based on rest-frame ultraviolet-selected samples.

연구 동기 및 목표

• 빅뱅 직후의 첫 ~750백만년 동안 JWST의 1–5 μm 커버리지를 이용해 본질적으로 붉고 질량이 큰 은하를 탐색하려는 동기를 부여한다.
• 리만과 발머 붕괴를 포함하는 이중-break SED 선택으로 견고한 고적(z) 후보를 식별하고 적색shifts와 M*/L 비를 제약한다.
• 강한 성운 방출을 고려한 여러 SED-피팅 접근법으로 적색shifts와 질량을 정량화한다.
• JWST 결과를 고려하여 고적(redshift가 높은) 은하의 질량 함수와 총 질량 밀도에 대한 시사점을 평가한다.

제안 방법

• JWST/NIRCam CEERS 영상(1–5 μm)을 사용해 여섯 개의 광대역과 410M 중간 대역으로 붉고 이중-붕괴 SED를 탐지한다.
• 광학에서의 비검출, 파란색 F150W–F277W < 0.7, 붉은색 F277W–F444W > 1.0, 및 F444W < 27 AB를 가지는 고적 후보를 경험적으로 선별한다.
• 다양한 모델링 가정에서 EAZY(발광선 템플릿 포함), Prospector-α, 및 Bagpipes로 적색shifts와 질량을 도출해 시스템atics를 평가한다.
• 은 은하마다의 다섯여섯 가지 측정값의 중앙값으로 fiducial 질량을 채택하고 광측정에 기인한 방출선 기여를 고려한다.
• 다양한 감쇠 법칙, SFH, 연령 priors, 광측정 불확실성의 의존성을 평가해 질량의 강건성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JWST NIRCam 광측정으로 고유하게 붉고 질량이 큰 은하가 z ≳ 7에서 존재할 수 있는가?
• RQ2 강한 방출선을 고려했을 때 이중-붕괴로 선택된 은하들의 광측정 적색shifts와 별 질량은 어떻게 되는가?
• RQ3 다른 SED-피팅 프레임워크와 모델링 가정은 유추된 질량과 적색shifts에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 후보 은하들이 고적(redshift가 높은) 은하의 질량 함수와 총 질량 밀도에 어떤 시사점을 제공하는가?

주요 결과

• 이중-붕괴로 선택된 은하 13개가 발견되었고, 그 중 6개는 fiducial 질량이 > 1e10 Msun이며 광학적 적색shifts는 6.5 < z < 9.1이다.
• 가장 밝은 은하(38094)는 z = 7.5에 위치하고 질량 M* ≈ 1e11 Msun에 이를 가능성이 있으며, 소규모 그룹에 속할 수 있다.
• SED 적합은 잔류적 광스펙트럼에서의 원점-밴더 분광선(현지의 rest-frame optical emission lines)이 넓은 밴드 플럭스에 상당한 영향을 줄 수 있음을 시사하며, 특히 Balmer 붕괴 이후의 붉은 영역에서 그렇다.
• UV-선정 샘플에 비해 이 JWST-적색 은하들은 전체 SED에서 더 빨갛고, 이는 더 높은 질량 대 빛 비(M/L)와 잠재적으로 더 큰 질량을 시사한다.
• 질량 추정은 먼지 감쇠 법칙, 나이 priors, 광측정 불확실성 처리에 민감하며, 일부 모델에서 질량이 최대 100배까지 감소할 수 있다.
• 스펙트럼으로 검증된다면 z ~ 8–9에서의 의미 있는 별 질량 밀도는 이전의 UV 기반 추정치보다 훨씬 높아 LCDM 기반의 형성 시나리오에 도전이 될 수 있다.