[논문 리뷰] COSMOS2020: The Galaxy Stellar Mass Function: the assembly and star formation cessation of galaxies at $0.2\lt z \leq 7.5$

John R. Weaver, I. Davidzon외 31명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 05.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 13인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 1.27 deg²에 걸쳐 깊고 균일한 적외선 데이터를 사용하여 z = 7.5에서 z = 0.2까지의 COSMOS2020 은하 항성질량함수(SMF)를 제시한다. 이는 z ≈ 2에서 다운사이징이 발생하고, z ≈ 2.5–5.5에서 질량이 큰 빨간 은하의 과잉을 보이며, 이는 먼지로 가려진 은하일 수 있음을 시사한다. 결과는 표준 Schechter 함수 피팅을 도전하며, 초기 시기에 질량이 큰 헬로에서 별 형성 효율이 향상되었음을 시사한다.

ABSTRACT

How galaxies form, assemble, and cease their star-formation is a central question within the modern landscape of galaxy evolution studies. These processes are indelibly imprinted on the galaxy stellar mass function (SMF). We present constraints on the shape and evolution of the SMF, the quiescent galaxy fraction, and the cosmic stellar mass density across 90% of the history of the Universe from $z=7.5 ightarrow0.2$ via the COSMOS survey. Now with deeper and more homogeneous near-infrared coverage exploited by the COSMOS2020 catalog, we leverage the large 1.27 deg$^{2}$ effective area to improve sample statistics and understand cosmic variance particularly for rare, massive galaxies and push to higher redshifts with greater confidence and mass completeness than previous studies. We divide the total stellar mass function into star-forming and quiescent sub-samples through $NUVrJ$ color-color selection. Measurements are then fitted with Schechter functions to infer the intrinsic SMF, the evolution of its key parameters, and the cosmic stellar mass density out to $z=7.5$. We find a smooth, monotonic evolution in the galaxy SMF since $z=7.5$, in agreement with previous studies. The number density of star-forming systems seems to have undergone remarkably consistent growth spanning four decades in stellar mass from $z=7.5 ightarrow2$ whereupon high-mass systems become predominantly quiescent (i.e. downsizing). An excess of massive systems at $z\sim2.5-5.5$ with strikingly red colors, some newly identified, increase the observed number densities to the point where the SMF cannot be reconciled with a Schechter function. Systematics including cosmic variance and/or AGN contamination are unlikely to fully explain this excess, and so we speculate that there may be contributions from dust-obscured objects similar to those found in FIR surveys. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 우주의 90%에 이르는 기간 동안, z = 7.5에서 z = 0.2까지의 은하 항성질량함수(SMF)의 진화를 측정하기 위해.
• NUVrJ 색-색 선택을 사용하여 SMF를 별 형성 중인 성분과 휴면 상태 성분으로 분리함으로써 은하의 체적 축적과 별 형성 억제를 조사하기 위해.
• 큰 깊이, 깊은, 균일한 조사 영역을 사용하여 고적외선 적외선 영역에서 희귀한 질량이 큰 은하의 우주적 변동성과 질량 완전성 평가하기 위해.
• 우주론적 시뮬레이션과 어둠의 물질 헬로 질량함수 예측과 관측된 SMF 진화를 비교하기 위해.
• 표준 SMF 모델의 편차를 설명할 수 있는 잠재적 시스템적 오차나 새로운 인구, 예를 들어 먼지로 가려진 은하 등을 식별하기 위해.

제안 방법

• 1.27 deg² 영역에서 깊고 균일한 적외선 커버리지가 가능한 COSMOS2020 카탈로그를 사용하여 높은 질량 완전성과 낮은 우주적 변동성을 확보하였다.
• 활성 및 휴면 단계를 분리하기 위해 NUVrJ 색-색 선택을 사용하여 은하를 별 형성 중인 집단과 휴면 집단으로 분류하였다.
• 관측된 SMF를 단일 및 이중 성분 Schechter 함수로 피팅하여 SMF의 본질적 형태와 진화를 모델링하였다.
• stellar mass에 대해 SMF를 통합하여 우주의 항성질량 밀도(SMD)를 계산하였으며, 시간에 따른 총 질량 밀도 축적을 추적하였다.
• 최신 우주론적 시뮬레이션과 이론적 어둠의 물질 헬로 질량함수와 관측된 SMF 및 SMD 진화를 비교하였다.
• 특히 질량이 크고 고적외선 은하에 대해 우주적 변동성과 AGN 오염 등의 시스템적 영향이 관측된 SMF에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하 항성질량함수(SMF)는 z = 7.5에서 z = 0.2까지 어떻게 부드럽게 진화하는가? 이는 은하의 체적 축적과 별 형성 역사에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ2 z ≈ 2.5–5.5에서 관측된 SMF는 Schechter 함수에서 어느 정도 벗어나며, 이러한 편차를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 z ≈ 2.5–5.5에서 질량이 크고 빨간 은하의 과잉은 우주적 변동성이나 AGN 오염 등의 시스템적 오차 때문인가, 아니면 먼지로 가려진 은하와 같은 새로운 인구를 시사하는가?
• RQ4 고적외선에서 관측된 항성질량함수는 이론적 어둠의 물질 헬로 질량함수와 어떻게 비교되는가? 이는 질량이 큰 헬로에서 별 형성 효율이 어떻게 되는지를 시사하는가?
• RQ5 다운사이징은 SMF를 어떻게 형성하는가? 낮은 질량의 휴면 시스템은 언제 자신의 항성질량을 축적하였는가?

주요 결과

• 은하 항성질량함수(SMF)는 z = 7.5에서 z = 0.2까지 부드럽고 단조롭게 진화하며, z ≈ 2까지는 항성질량이 네 개의 디자드레스케일에 걸쳐 별 형성 은하의 수 밀도가 일관되게 증가한다.
• z ≈ 2 이후 질량이 큰 은하들은 휴면 상태로 전환되며, 이는 다운사이징의 시작을 나타내며, 낮은 질량의 휴면 시스템은 최근에 빠르게 자신의 항성질량을 축적하였다.
• z ≈ 2.5–5.5에서 질량이 크고 뚜렷이 빨간 은하의 과잉이 관측되었으며, 이는 단일 Schechter 함수로는 설명할 수 없을 정도로 수 밀도가 증가하였고, 일부는 새로 식별된 것이다.
• 우주적 변동성이나 AGN 오염 등의 시스템적 영향은 관측된 과잉을 완전히 설명할 수 없으며, 먼지로 가려진 인구가 존재할 가능성이 높으며, 이는 적외선 원거리 탐사에서 관측된 것과 유사하다.
• z ≈ 3에서 z ≈ 6까지 가장 질량이 큰 시스템들에 대해 항성질량함수와 어둠의 물질 헬로 질량함수 사이에 지속적인 일치가 관측되었으며, 이는 초기 시기에 질량이 큰 헬로에서 별 형성 효율이 높았음을 시사한다.
• 우주의 항성질량 밀도(SMD)는 z = 7.5까지 잘 제약되었으며, SMF는 이전 연구와 일관되지만 깊이와 영역의 향상으로 인해 고적외선에서 새로운 특징이 드러났다.