[논문 리뷰] An extremely compact, low-mass post-starburst galaxy at $z=5.2$

Victoria Strait, Gabriel Brammer외 16명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 20.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 제임스 웨버 우주望遠鏡(JWST)/NIRSpec 및 NIRCam 데이터를 사용하여 z=5.2에서 발견된 매우 밀도 높고 저질량의 후성성 은하인 MACS0417-z5PSB를 보고한다. 항성 질량이 4.3×10⁷ M☉이고, 휴지-자외선 반강도 반경이 30±7 pc인 이 은하는 최근에 별 형성 폭발이 있었고, 그 후 급격한 감소를 보이며, 내재된 피드백에 의한 것으로 보이는 내부 과정에 의해 억제 중일 가능성이 높다. 환경적 과정이나 AGN 활동보다는.

ABSTRACT

We report the discovery of a low-mass $z=5.200\pm 0.002$ galaxy that is in the process of ceasing its star formation. The galaxy, MACS0417-z5PSB, is multiply imaged with magnification factors $\sim40$ by the galaxy cluster MACS J0417.5-1154, observed as part of the CAnadian NIRISS Unbiased Cluster Survey (CANUCS). Using observations of MACS0417-z5PSB with a JWST/NIRSpec Prism spectrum and NIRCam imaging, we investigate the mechanism responsible for the cessation of star formation of the galaxy, and speculate about possibilities for its future. Using spectrophotometric fitting, we find a remarkably low stellar mass of $ m{M_*}=4.3\pm^{0.9}_{0.8} imes 10^{7} m{M_{\odot}}$, less than 1% of the characteristic stellar mass at $z\sim5$. We measure a de-lensed rest-UV half-light radius in the source plane of $30\pm^{7}_{5}$ pc, and measure a star formation rate from H$α$ of $0.14\pm^{0.17}_{0.12}$ $ m{M_{\odot}/yr}$. We find that under the assumption of a double power law star formation history, MACS0417-z5PSB has seen a recent rise in star formation, peaking $\sim10-30$ Myr ago and declining precipitously since then. Together, these measurements reveal a low-mass, extremely compact galaxy which is in the process of ceasing star formation. We investigate the possibilities of mechanisms that have led to the cessation of star formation in MACS0417-z5PSB, considering stellar and AGN feedback, and environmental processes. We can likely rule out an AGN and most environmental processes, but leave open the possibility that MACS0417-z5PSB could be a star forming galaxy in the lull of a bursty star formation history.

연구 동기 및 목표

• 고적색(지그램 5.2 근처)에서 희귀한 저질량, 밀도 높은 후성성 은하를 식별하고 특성을 규명하여 초기 억제 메커니즘을 이해하기 위해.
• 고해상도 JWST 분광법 및 영상 데이터를 사용하여 MACS0417-z5PSB의 별 형성 역사와 물리적 성질을 규명하기 위해.
• 이 은하의 침체로 이르는 메커니즘—내재된 피드백, 환경적 과정, 또는 확률적 별 형성—을 조사하기 위해.
• 특히 대량 시스템에서 항성 피드백의 역할과 함께, 밀도 높은 침체 은하 형성 모델에 대한 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• Hα 방출선과 발머 흡수선 측정을 통해 항성 형성률과 항성 집단 연령을 추정하기 위해 JWST/NIRSpec 프리즘 분광법을 사용하였다.
• 은하의 형성 및 억제 시차를 모델링하기 위해 이중 거듭제곱 법칙을 적용한 별 형성 역사에 기반한 스펙트로광학적 피팅을 수행하였다.
• MACS J0417.5-1154의 강력한 중력 렌즈 효과를 활용하여 은하의 밀도 높은 구조를 고해상도로 관측할 수 있도록 하였다.
• 다중 영상 성분에서 복귀된 진정한 물리적 성질(휴지-자외선 크기, 항성 질량 등)을 복원하기 위해 렌즈 해제를 수행하였다.
• 관측된 성질을 시뮬레이션과 이론 모델과 비교하여 AGN 피드백 및 환경적 억제 메커니즘을 배제하였다.
• ALMA [CII] 및 인구 통계 분석을 통해 잔류 가스 존재 여부와 합성 역사에 기반한 향후 재생 가능성 여부를 평가하였다.

Figure 1: JWST/NIRCam images of MACS0417-z5PSB and nearby system from Asada et al. ( 2022 ) . From left to right: F090W, F200W, F444W, and RGB (red: F356W+F410M+F444W, green: F200W+F277W+F356W, blue: F090W+F115W+F150W) image of MACS0417-z5PSB. All images have 40mas pixels, are non-PSF-homogenized. F

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MACS0417-z5PSB의 별 형성 역사는 어떠한가? 최근 폭발과 그 후 감소는 언제 발생했는가?
• RQ2 이 저질량, 밀도 높은 은하에서 별 형성 억제를 이끌어낸 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 MACS0417-z5PSB의 극도로 밀도 높고 저항성 항성 질량은 기존의 침체 은하 형성 모델에 어떤 도전을 주는가?
• RQ4 이 은하는 일시적인 폭발적 별 형성 역사 중 일시적 침체 상태일 뿐일 수 있는가?
• RQ5 이러한 저질량 시스템에서 항성 피드백 또는 다크 물질 홀로의 잠재적 우거지가 침체 상태를 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 이 은하의 항성 질량은 4.3±0.9/0.8×10⁷ M☉이며, z≈5에서의 특성 질량의 1퍼센트 미만으로, 이 적색에서 관측된 가장 낮은 질량의 침체 은하 중 하나이다.
• 소스 평면에서의 휴지-자외선 반강도 반경은 30±7/5 pc로, 극도로 밀도 높고 항성 표면 밀도가 매우 높음을 나타낸다.
• Hα로부터 유도된 항성 형성률은 0.14±0.17/0.12 M☉/yr로, 최근에 일시적인 폭발이 있었고, 그 후 급격한 감소가 있었음을 일치시키는 데 적합하다.
• 분광학적 모델링 결과, 최근 10–30 Myr 전에 별 형성 피크가 있었고, 이후 급속한 억제가 있었음을 시사하며, 후성성 단계임을 시사한다.
• 폭넓은 방출선이 없고, 인근에 대규모 구조가 없기 때문에 AGN 피드백 및 환경적 억제(예: 기체압, 혼란)는 불가능한 것으로 판단된다.
• 이 은하는 잔류 가스가 남아 있다면 기체 유입 또는 합성으로 향후 재생 가능성이 있는, 밀도 높은 침체 은하의 조상일 수 있다.

Figure 2: Photometrically calibrated observed spectrum (dark gray) with 1- $\sigma$ noise (light gray), and posterior spectrum from BAGPIPES (blue) for MACS0417-z5PSB. Top panel in $f_{\lambda}$ , bottom panel in $f_{\nu}$ . Emission lines labeled in green. Inset is a zoomed-in version of the spectr