[논문 리뷰] FOREVER22: the first bright galaxies with population III stars at redshifts $z \simeq 10-20$ and comparisons with JWST data

Hidenobu Yajima, Makito Abe외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 23.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 z ≈ 10–20에서 첫 번째 은하의 형성을 모의하기 위해 고해상도 천체역학 시뮬레이션(Forever22)을 사용한다. 이에 따르면 질량이 큰 허브(M_h > 10^10 M☉)는 연이어 일어나는 항성 폭발(SFR > 10 M☉/yr)을 겪으며, 인류 3형 별이 M_star ~ 10^7 M☉인 은하의 자외선 복사에 몇 퍼센트 기여한다. 이 시뮬레이션은 z ~ 10–14에서 관측된 JWST의 특성을 재현하지만, z ~ 16 후보자들에서 관측된 극한의 SFR과 질량을 재현하지 못한다. 이는 향후 관측에서 M_star < 10^5 M☉이고 β ≲ -3인 인류 3형 별이 지배하는 은하를 탐지할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We study the formation of the first galaxies in overdense regions modelled by the FORmation and EVolution of galaxies in Extremely overdense Regions motivated by SSA22 (FOREVER22) simulation project. Our simulations successfully reproduce the star formation rates and the $M_{ m UV}-M_{ m star}$ relations of candidate galaxies at $z \sim 10-14$ observed by the James Webb Space Telescope (JWST). We suggest that the observed galaxies are hosted by dark-matter haloes with $M_{ m h} \gtrsim 10^{10}~{ m M_{\odot}}$ and are in short-period starburst phases. On the other hand, even simulated massive galaxies in overdense regions cannot reproduce the intense star formation rates and the large stellar masses of observed candidates at $z \sim 16$. Also, we show that the contribution of population III stars to the UV flux decreases as the stellar mass increases and it is a few percent for galaxies with $M_{ m star} \sim 10^{7}~{ m M_{\odot}}$. Therefore, a part of the observed flux by JWST could be the light from population III stars. Our simulations suggest that the UV flux can be dominated by population III stars and the UV-slope shows $β\lesssim -3$ if future observations would reach galaxies with $M_{ m stars} \sim 10^{5}~{ m M_{\odot}}$ at $z \sim 20$ of which the mass fraction of population III stars can be greater than 10 percent.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 천체역학 시뮬레이션을 사용하여 z ≈ 10–20에서 극도로 밀도가 높은 영역에서 첫 번째 은하의 형성을 모의하는 것.
• 고적색 은하의 자외선 특성과 SED를 결정하는 데서 인류 3형 별의 기여를 조사하는 것.
• z ≈ 10–16에서 JWST 데이터로부터 관측된 자외선 등급, SFR, 자외선 기울기와 시뮬레이션된 은하 특성을 비교하는 것.
• 초기 은하에서 인류 3형 별이 자외선 복사에 지배적인 조건을 규명하는 것.
• 현재 시뮬레이션의 한계를 평가하여 z ≈ 16에서 관측된 가장 극단적인 후보자들을 재현하지 못하는 이유를 분석하는 것.

제안 방법

• 극도로 밀도가 높은 영역에서 은하 형성을 모의하기 위해 FOREVER22 프로젝트 프레임워크를 사용하여 고해상도 N-체 및 유체역학적 시뮬레이션을 수행하는 것.
• 미니-허브(M_h ~ 10^6–10^8 M☉)에서 인류 3형 별의 형성과 피드백을 추적하고, 질량이 큰 허브(M_h > 10^10 M☉)에서 인류 2형 별 형성으로의 전이를 분석하는 것.
• 기체의 진화, 금속 농도 향상 및 항성 형성 효율을 시뮬레이션하기 위해 복사 및 초신성 피드백 모델을 구현하는 것.
• 인류 3형 및 2형 별의 기여를 포함한 합성 SED에서 자외선 등급(M_UV), 항성 질량(M_star), 항성 형성률(SFR), 자외선 스펙트럼 기울기(β)를 계산하는 것.
• 관측된 JWST 후보 은하의 특성과 비교하기 위해 SED를 사용하여 z ≈ 10–16에서 M_UV–M_star 관계와 β 값에 집중하는 것.
• 항성 질량과 적색편이에 따라 자외선 복사에서 인류 3형 별의 기여 비율을 질량-광도 비율과 금속 농도 임계값을 사용하여 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시뮬레이션은 z ≈ 10–14에서 JWST가 탐지한 고적색 은하의 관측된 자외선 등급과 SFR을 재현할 수 있는가?
• RQ2 초기 은하에서 인류 3형 별의 자외선 복사 기여는 얼마이며, 항성 질량과 적색편이에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 밀도가 높은 영역의 거대 은하가 왜 z ≈ 16 JWST 후보자들에서 관측된 극한의 SFR과 항성 질량을 재현하지 못하는가?
• RQ4 어떤 조건에서 자외선 기울기(β)가 매우 파란색(β ≲ -3)이 되어 인류 3형 별 기여가 두드러지게 드러나는가?
• RQ5 현재 및 향후 망원경을 사용하여 z ≈ 20에서 인류 3형 별이 지배하는 은하를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 밀도가 높은 영역에서 시뮬레이션된 은하는 z ≈ 10–14에서 관측된 JWST 후보자들과의 M_UV–M_star 관계와 SFR을 성공적으로 재현한다.
• M_star ≳ 10^8 M☉인 은하는 자외선 등급 ≲ -18 mag를 가지며, 합리적인 통합 시간으로 JWST에 의해 탐지 가능하다.
• M_star ~ 10^7 M☉인 은하에서 인류 3형 별의 자외선 복사 기여는 약 ~3%이며, 항성 질량이 증가함에 따라 감소한다.
• M_star ≲ 10^5 M☉인 은하에서는 인류 3형 별의 비율이 비할 데 없이 높으며(10% 이상), 이 경우 자외선 복사가 인류 3형 별에 의해 지배될 수 있다.
• z ≤ 14인 은하에서는 2 μm에서 자외선 복사량 > 10 nJy이며, 합리적인 통합 시간으로 JWST에 의해 관측 가능하다.
• z ~ 20에서 M_star ~ 10^5 M☉인 은하에서는 자외선 기울기 β ≲ -3가 예측되며, 이는 매우 어린 또는 인류 3형 별이 지배하는 시스템을 나타낸다.