[논문 리뷰] Galaxy Build-up in the first 1.5 Gyr of Cosmic History: Insights from the Stellar Mass Function at $z\sim4-9$ from JWST NIRCam Observations

Andrea Weibel, Pascal A. Oesch외 27명|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 13.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 10

한 줄 요약

본 연구는 JWST NIRCam 이미징을 사용하여 z~4–9에서 rest-optical 스텔러 질량 함수( stellar mass function, SMF )를 도출하기 위해 대규모 rest-optical 선택 은하 샘플을 활용하고, 적색의 먼지에 의해 가려진 시스템과 초기 우주에서의 빠른 질량 축장을 강조합니다.

ABSTRACT

Combining the public JWST/NIRCam imaging programs CEERS, PRIMER and JADES, spanning a total area of $\sim500\,{ m arcmin}^2$, we obtain a sample of $>$30,000 galaxies at $z_{ m phot}\sim4-9$ that allows us to perform a complete, rest-optical selected census of the galaxy population at $z>3$. Comparing the stellar mass $M_*$ and the UV-slope $β$ distributions between JWST- and HST-selected samples, we generally find very good agreement and no significant biases. Nevertheless, JWST enables us to probe a new population of UV-red galaxies that was missing from previous HST-based Lyman Break Galaxy (LBG) samples. We measure galaxy stellar mass functions (SMFs) at $z\sim4-9$ down to limiting masses of $10^{7.5}-10^{8.5}\,{ m M_\odot}$, finding steep low mass slopes over the entire redshift range, reaching values of $α\approx-2$ at $z\gtrsim6$. At the high-mass end, UV-red galaxies dominate at least out to $z\sim6$. The implied redshift evolution of the SMF suggests a rapid build-up of massive dust-obscured or quiescent galaxies from $z\sim6$ to $z\sim4$ as well as an enhanced efficiency of star formation towards earlier times ($z\gtrsim6$). Finally, we show that the galaxy mass density grows by a factor $\sim20 imes$ from $z\sim9$ to $z\sim4$. Our results emphasize the importance of rest-frame optically-selected samples in inferring accurate distributions of physical properties and studying the mass build-up of galaxies in the first 1.5 Gyr of cosmic history.

연구 동기 및 목표

• z~4–9에서 JWST NIRCam 데이터를 사용하여 은하의 rest-frame optical 인구 조사를 제공한다.
• 저질량(∼10^7.5–10^8.5 M☉)까지의 스텔러 질량 함수를 정량화하고 UV-선정 샘플과의 차이를 비교한다.
• UV-적색, 잠재적으로 먼지에 의해 가려진 은하의 기여가 고질량 끝과 전체 질량 밀도에 미치는 기여를 평가한다.
• SMF의 적색 이동에 따른 진화와 초기 별 형성 효율 및 먼지 소멸에 대한 시사점을 평가한다.]
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제안 방법

• ~500 arcmin^2 다중 필드 JWST NIRCam 데이터셋(CEERS, PRIMER, JADES)을 보완적인 HST 데이터와 함께 수집한다.
• PSF 추출 및 커널 기반 매칭으로 F444W(및 WFC3 필터의 F160W)에 대해 1–5 μm에서 PSF-매칭 포토메트리를 수행한다.
• SourceExtractor로 광도 분포 카탈로그를 구성하고, 엄격한 플래그 및 마스킹을 적용하며, 여러 구경에서 다중 밴드 플럭스를 측정한다.
• 베이즈 프레임워크에서 BAGPIPES를 사용하여 지연-τ SFH와 nebular emission을 갖춘 BPASS 기반 템플릿으로 광색지적 적화를 수행한다.
• 초기 z > 3 선택을 위해 EAZY를 사용하고, 물리적 특성은 BAGPIPES로 세부적으로 다듬어 사후 SMF와 불확실성을 얻는다.
• M* ~ 10^7.5–10^8.5 M☉까지의 SMF를 보고하고 고질량 끝 및 전체 질량 밀도의 진화를 검사한다.

Figure 1: Top panels: F200W PSFs generated through webbpsf with jitter_sigma = 0.022 (see Morishita et al., 2023 ) , as well as extracted from the images for all the different fields used in this work as explained in the text. All PSFs are shown in log-scale. Bottom left: Logarithmic radial profiles

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JWST NIRCam으로 조사된 z~4–9 은하의 rest-frame optical 스텔러 질량 함수는 무엇인가?
• RQ2 UV-적색, 잠재적으로 먼지에 의해 가려진 은하들은 UV-선정 샘플에 비해 SMF의 고질량 끝에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 SMF의 고질량 끝과 z~9에서 z~4로의 암시된 별 질량 밀도 성장은 어떤 적색 이동을 보이는가?
• RQ4 적색/가려진 은하의 존재와 풍부성은 초기 우주에서의 먼지에 의해 가려진 별 형성 및 휴지 상태에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• z~4–9의 Steller mass functions은 대략 10^7.5–10^8.5 M☉까지 측정 가능하며, 문헌과 대체로 일치하나 고질량 끝에서 UV-적색 은하의 명시적 기여가 있다.
• UV-적색, 먼지에 의해 가려진 시스템은 z~6까지 SMF의 고질량 끝을 지배하며, UV 선택에서 이전에 추정된 것보다 더 낡은 먼지 많은 또는 휴지 상태 인구의 중요성을 시사한다.
• SMF는 적색 이동 전체에서 가팔라지며, z>6에서 경계가 약간 더 가팔라져 기울기가 ~-2에 접근한다.
• 은하 질량 밀도는 z~9에서 z~4로 약 20배 증가하며, 이는 대략 1 Gyr의 우주 시간에 해당하는 빠른 질량 축적을 나타낸다.
• JWST의 rest-optical 선택은 UV 기반 샘플에서 나타나는 편향을 줄이고 가장 질량이 큰 은하들의 존재 양상과 질량에 대한 더 정확한 제약을 제공한다.
• 적색/가려진 은하의 존재와 풍부성은 z~6에서 z~4로의 빠른 축적과 더 이른 시점의 강한 별 형성 효율을 암시한다.

Figure 2: Comparison between photometric and spectroscopic redshifts. Spectroscopic redshifts from the literature are plotted against photometric redshifts obtained through eazy in the top panel and through bagpipes in the bottom panel. Both codes perform well at $z\gtrsim 3$ with eazy showing a sma