[논문 리뷰] EPOCHS VI: The Size and Shape Evolution of Galaxies since z ~ 8 with JWST Observations

K. Ormerod, Christopher J. Conselice외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 08.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 JWST/CEERS 및 HST/CANDELS 데이터를 사용하여 z ~ 8에서 z ~ 0.5까지 1,395개의 대량은 은하(로그(M*/M☉) > 9.5)의 크기와 구조적 진화를 분석한다. 휴지 프로필은 단일 세르시 모델로 맞추어 효과적 반경(Re)과 세르시 지수(n)를 측정한다. 연구 결과, 은하의 크기 변화는 Re ∝ (1+z)^{-0.71±0.19}로 나타나며, 고적색도에서 고체적이고 디스크 유사한 구조가 지배적이며, z ~ 3를 초과하는 영역에서 크기-질량 관계가 붕괴됨을 확인하여, 고정 질량에서 정지 은하가 더 작다는 이전의 가정을 도전한다.

ABSTRACT

We present the results of a size and structural analysis of 1395 galaxies at $0.5 \leq z \lesssim 8$ with stellar masses $\log \left(M_* / M_{\odot} ight)$ $>$ 9.5 within the JWST Public CEERS field that overlaps with the HST CANDELS EGS observations. We use GALFIT to fit single Sérsic models to the rest-frame optical profile of our galaxies, which is a mass-selected sample complete to our redshift and mass limit. Our primary result is that at fixed rest-frame wavelength and stellar mass, galaxies get progressively smaller, evolving as $\sim (1+z)^{-0.71\pm0.19}$ up to $z \sim 8$. We discover that the vast majority of massive galaxies at high redshifts have low Sérsic indices, thus do not contain steep, concentrated light profiles. Additionally, we explore the evolution of the size-stellar mass relationship, finding a correlation such that more massive systems are larger up to $z \sim 3$. This relationship breaks down at $z > 3$, where we find that galaxies are of similar sizes, regardless of their star formation rates and Sérsic index, varying little with mass. We show that galaxies are more compact at redder wavelengths, independent of sSFR or stellar mass up to $z \sim 3$. We demonstrate the size evolution of galaxies continues up to $z \sim 8$, showing that the process or causes for this evolution is active at early times. We discuss these results in terms of ideas behind galaxy formation and evolution at early epochs, such as their importance in tracing processes driving size evolution, including minor mergers and AGN activity.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 JWST 데이터를 사용하여 z ~ 8에서 z ~ 0.5까지의 대량은하의 크기와 구조적 진화를 측정하기 위해.
• 은하의 크기, 세르시 지수, 형태가 적색도와 별질량에 따라 어떻게 변화하는지 규명하기 위해.
• z < 3에서 관측된 크기-질량 관계와 구조적 이분화가 더 높은 적색도에서 유지되는지 테스트하기 위해.
• 휴지 프로필 파장과 광학 필터가 관측된 은하 크기에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 거리나 해상도에 기인한 체계적 오차를 배제하기 위해 시뮬레이션된 은하를 사용하여 결과를 검증하기 위해.

제안 방법

• 은하 샘플은 CEERS 영역 내에서 CANDELS-EGS와 겹치는 범위 내에서 질량 선택 기준으로 log(M*/M☉) > 9.5 및 z ≤ 8까지 완전하게 구성된다.
• 휴지 프로필은 GALFIT를 사용하여 단일 세르시 피팅을 통해 효과적 반경(Re)과 세르시 지수(n)를 측정한다.
• HST 데이터로부터의 광학적 적색도는 샘플 전반에서 일관성을 확보하기 위해 적색도를 고정하는 데 사용된다.
• 필터 효과는 특히 더 진한 파장의 필터에서 크기 비교를 통해 분석된다.
• 기본적인 구조적 특성을 알 수 있는 시뮬레이션 은하를 사용하여 측정 파이프라인을 검증하고, 적색도 및 해상도 영향에 대한 강건성을 확인한다.
• 통계적 분석은 적색도 구간, 별질량, sSFR, 형태 유형에 따라 크기 진화를 비교한다.

Figure 1 : Plot showing the rest-frame wavelengths at given redshifts, for all filters used within the JWST CEERS NIRCam observations, and used within this paper. The shaded regions show the selected filter we use to observe sources in the rest-frame optical at the given redshift. The grey dashed li

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ~ 8에서 z ~ 0.5까지의 대량은하에서 효과적 반경이 적색도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 z > 3에서 크기-별질량 관계는 유지되는가, 아니면 이전 HST 데이터가 제기한 바와 같이 붕괴되는가?
• RQ3 세르시 지수와 구조적 유형(예: 디스크 유사형 대비 구형형)은 적색도에 따라 어떻게 변화하며, 이는 은하 형성 메커니즘에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 휴지 필터의 파장과 별질량이 고적색도에서 관측된 은하 크기에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 크기 경향은 물리적 진화에 기인한 것인지, 아니면 해상도나 분리 오차와 같은 체계적 오차에 기인한 것인가?

주요 결과

• 은하의 효과적 반경은 z ~ 8에서 z ~ 0.5까지 Re ∝ (1+z)^{-0.71±0.19}로 진화하며, 이는 초기 우주로의 지속적인 크기 진화를 나타낸다.
• 고적색도에서 대부분의 대량은하는 낮은 세르시 지수(n ≈ 1)를 가지며, 디스크 유사형 또는 지수 프로필임을 시사하며, z > 3에서 별 형성과 정지 은하 간에 유의미한 차이가 없다.
• z > 3에서 크기-별질량 관계가 붕괴되며, 고정 질량에서 별 형성 은하와 정지 은하 모두 유사한 크기를 가지며, z < 3의 경향과 정반대이다.
• 더 진한 휴지 필터에서 은하가 더 작아 보이며, 더 질량이 큰 은하일수록 이와 같은 수축 효과가 더 뚜렷하며, sSFR이나 세르시 지수와는 독립적이다.
• 구형형 은하는 모든 적색도에서 다른 유형보다 일관되게 작고, 더 높은 세르시 지수를 가지며, 이는 그들의 밀집된 농핵적 성격을 확인한다.
• 시뮬레이션 은하를 통한 검증은 관측된 크기 진화가 측정 체계적 오차나 적색도 영향의 산물이 아니라 물리적 진화임을 확인한다.

Figure 2 : Plots showing the Kron radii (semi-major axis of the Kron ellipse), where the red radius in each image is that of the primary source, and the blue radii are those of the neighbouring sources. We give several scenarios for how these systems would be found. Left: No other sources would be f