[논문 리뷰] Accelerated Formation of Ultra-Massive Galaxies in the First Billion Years

Mengyuan Xiao, Pascal A. Oesch외 36명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 05.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 12

한 줄 요약

본 연구는 JWST FRESCO에서 zspec 5–9의 스펙트럼으로 확인된 광학적으로 어둡거나 약한 은하 36개를 제시하며, z~5.5에서 M* > 10^11 Msun의 초대질량 시스템 3개를 포함하여 초기 우주에서 비정상적으로 높은 별형성 효율을 시사한다.

ABSTRACT

Recent JWST observations have revealed an unexpected abundance of massive galaxy candidates in the early Universe, extending further in redshift and to lower luminosity than what had previously been found by sub-millimeter surveys. These JWST candidates have been interpreted as challenging the $Λ$CDM cosmology, but, so far, they have mostly relied only on rest-frame ultraviolet data and lacked spectroscopic confirmation of their redshifts. Here we report a systematic study of 36 massive dust-obscured galaxies with spectroscopic redshifts between $z_{ m spec}=5-9$ from the JWST FRESCO survey. We find no tension with the $Λ$CDM model in our sample. However, three ultra-massive galaxies (log$M_{\star}/M_{\odot}$ $\gtrsim11.0$) require an exceptional fraction of 50% of baryons converted into stars -- two to three times higher than even the most efficient galaxies at later epochs. The contribution from an active nucleus is unlikely because of their extended emission. Ultra-massive galaxies account for as much as 17% of the total cosmic star formation rate density at $z\sim5-6$.

연구 동기 및 목표

• JWST FRESCO의 견고한 분광적 적색편이를 사용하여 z > 5에서 먼지 많은 고질량 은하들의 집단 존재를 입증한다.
• 광학적으로 어둡거나 약한 은하들의 항성 질량(M*), 별형성률(SFR), 먼지 특성을 정량화하여 초기 우주에서의 별 형성에 대한 역할을 평가한다.
• 고적색편이에서의 초대질량 은하가 기존의 은하 형성 모델 및 헐로-바이온 전환 효율에 부합하는지 또는 도전하는지 평가한다.

제안 방법

• JWST FRESCO NIRCam 영상 및 분광 이미징을 활용하여 붉은 색과 강한 방출선으로 광학적으로 어둡거나 약한 은하를 식별한다.
• F444W 분광 데이터의 Hα + NII + SII 또는 OIII + Hβ 선에서 zspec를 얻어 zspec를 확보한다(전형적 zspec ≈ 4.9–9.0).
• BAGPIPES 및 CIGALE를 사용한 고정된 zspec에서 방출선 제거를 통한 UV–NIR 광도관측의 SED 적합을 수행하여 M*와 SFR을 도출한다.
• 방출선 오염으로부터의 전처리를 통해 F444W 광도 측정을 보정하여 항성 연속체를 회복한다.
• 가능한 경우 보조적 HST/JWST 영상 및 원적외선/mm 데이터(ALMA GOODS-ALMA)와의 교차 매칭을 통해 먼지 및 별 형성 특성을 제약한다.
• 관측된 초대질량 시스템을 헬스 질량 함수 예측과 비교하여 바리온-별 전환 효율을 추론한다.

Figure 1: Images and Spectra of the three optically dark, ultra-massive galaxies from the JWST FRESCO survey. From left to right: 4 ′′ $\times$ 4 ′′ stamps obtained in JWST/NIRCam filters (1.82 $\mu$ m, 2.10 $\mu$ m, and 4.44 $\mu$ m), RGB images (F182M in blue, F210M in green, and F444W in red), H

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JWST가 FRESCO 설계에서 발견한 광학적으로 어둡거나 약한 은하의 적색편이 분포와 질량 범위는 무엇인가?
• RQ2 질량이 M* > 10^11 Msun인 초대질량 은하가 z ~ 5–6에서 존재하는가, 그리고 그것들이 시사하는 바리온-별 전환 효율은 무엇인가?
• RQ3 이 은하들의 먼지 및 별형성 특성은 형성 기작과 잠재적 AGN 기여를 어떻게 inform 하는가?
• RQ4 이러한 초대질량 시스템이 표준 Lambda-CDM 헬로 질량 함수 및 관측된 최대 별 형성 효율성과 호환되는가?
• RQ5 고적색편이에서의 광학적으로 어둡거나 약한 은하들이 높은 적색에서의 코스에서 우주별 별 형성률 밀도에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• zspec 5–9에서 분광적으로 확인된 광학적으로 어둡거나 약한 은하 36개를 검출했고, 이들의 항성 질량은 log(M*/Msun) = 8.3–11.4 범위에 있다.
• zspec ≈ 5.5인 세 개의 초대질량 은하의 log(M*/Msun) > 11.0으로, 평균적으로 약 0.5의 바리온이 별로 전환되었으며 이는 낮은 적색에서의 최고 효율보다 두세 배 더 높다.
• zspec ≈ 7.5에 위치한 두 개의 추가적인 초대질량 시스템도 비슷하게 높은 효율(ε > 0.2)을 시사하지만 질량 제약은 더 불확실하다.
• 세 초대질량 z ~ 5.5 은하는 매우 먼지에 가려져 있으며(AV > 3 mag), SFR_IR 값은 625–1137 Msun/yr이고 항성 구성에 비해 먼지 방출이 확장된 형태를 보인다.
• 관측된 초대질량 은하는 ε > 0.2를 고려할 때 z ~ 5–6에서 전체 우주 별 형성률 밀도에 최대 약 20%까지 기여하며 초기 별 형성의 효율이 높음을 시사한다.
• 관측된 시스템은 표준 은하 형성 모델에 도전하며 초기 바리온-별 전환 효율 증가나 대체 형성 채널(예: 톱헤비 초기 초기 질량 함수 또는 피드백-프리 버스트) 필요성을 시사한다.

Figure 2: Stellar masses of the three ultra-massive and optically dark galaxies (red-filled large circles) compared to model expectations. The red-filled circles show our whole parent sample of 36 spectroscopically-confirmed optically dark/faint galaxies at $z_{\rm spec}>5$ . Unlike some massive sou