[논문 리뷰] Galaxy Stellar Mass Functions from z~10 to z~6 using the Deepest Spitzer/IRAC Data: No Significant Evolution in the Stellar-to-Halo Mass Ratio of Galaxies in the First Gyr of Cosmic Time

Mauro Stefanon, R. J. Bouwens외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 30.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 5인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 가장 깊은 Spitzer/IRAC 데이터를 활용해 z~10에서 처음으로 강력한 항성 질량 함수(SMF)를 제시하며, z~10에서 z~6로의 기간 동안 항성 질량 대 히알로 질량 비율(SHMR)에 유의미한 변화가 없음을 밝혀냈다. 이전 연구보다 3배 더 넓은 영역을 커버하는 약 200시간 분량의 IRAC 이미징을 활용해, 10⁸ M☉까지의 은하에서 50%의 복귀 프레임 옵티컬 탐지율을 확보했으며, 약 500 Myr 동안 항성 질량 밀도가 약 1000배 증가했고, SHMR는 히알로 질량 성장과 동시에 변화함을 보였다.

ABSTRACT

We present new stellar mass functions at $z\sim6$, $z\sim7$, $z\sim8$, $z\sim9$ and, for the first time, $z\sim10$, constructed from $\sim800$ Lyman-Break galaxies previously identified over the XDF/UDF, parallels and the five CANDELS fields. Our study is distinctive due to (1) the much deeper ($\sim200$ hour) wide-area Spitzer/IRAC imaging at $3.6μ$m and $4.5μ$m from the GOODS Re-ionization Era wide Area Treasury from Spitzer (GREATS) program and (2) consideration of $z\sim6-10$ sources over a $3 imes$ larger area than previous HST+Spitzer studies. The Spitzer/IRAC data enable $\ge2σ$ rest-frame optical detections for an unprecedented $50\%$ of galaxies down to a stellar mass limit of $\sim10^{8}\mathcal{M}_\odot$ across all redshifts. Schechter fits to our volume densities suggest a combined evolution in characteristic mass $\mathcal{M}^*$ and normalization factor $ϕ^*$ between $z\sim6$ and $z\sim8$. The stellar mass density (SMD) increases by $\sim1000 imes$ in the $\sim500$ Myr between $z\sim10$ and $z\sim6$, with indications of a steeper evolution between $z\sim10$ and $z\sim8$, similar to the previously-reported trend of the star-formation rate density. Strikingly, abundance matching to the Bolshoi-Planck simulation indicates halo mass densities evolving at approximately the same rate as the SMD between $z\sim10$ and $z\sim4$. Our results show that the stellar-to-halo mass ratios, a proxy for the star-formation efficiency, do not change significantly over the huge stellar mass build-up occurred from $z\sim10$ to $z\sim6$, indicating that the assembly of stellar mass closely mirrors the build-up in halo mass in the first $\sim1$ Gyr of cosmic history. JWST is poised to extend these results into the "first galaxy" epoch at $z\gtrsim10$.

연구 동기 및 목표

• 깊은 Spitzer/IRAC 데이터를 활용해 z~10에서 항성 질량 함수(SMF)를 처음으로 측정하기 위해.
• 이전 HST+Spitzer 연구보다 3배 더 넓은 영역을 분석함으로써 천체적 변동성의 영향을 줄이고 통계적 신뢰도를 향상시키기 위해.
• 우주의 첫 10억 년 동안의 은하 형성 효율을 시험하기 위해 z~10에서 z~6로의 항성 대 히알로 질량 비율(SHMR)의 진화를 평가하기 위해.
• 항성 질량 밀도(SMD)의 진화를 제약하고, 히알로 질량 밀도 및 별 형성률 밀도 추세와 비교하기 위해.

제안 방법

• 고적외선 은하의 복귀 프레임 옵티컬 방출을 탐지하기 위해 GREATS 프로그램에서 확보한 약 200시간 분량의 깊은 Spitzer/IRAC 이미징(3.6 μm 및 4.5 μm)을 활용하였다.
• XDF/UDF, 파라렐, CANDELS 영역에서 다중 파장 광도 측정 및 SED 피팅을 통해 약 800개의 라이만 브레이크 은하를 식별하였다.
• 전체 SED 정보와 UV 기울기 기반 질량 추정기법(Stefanon 등 2021년에서 검증됨)을 활용해 SED 피팅을 수행하여, 특히 IRAC 비탐지 대상에 대한 항성 질량을 추정하였다.
• z~6, 7, 8, 9, 10에서 부피 보정된 SMF에 대해 샤헤르트 함수 피팅을 수행하여 M* 및 φ*의 진화를 유도하였다.
• 관측된 SMD 진화와 히알로 질량 함수(HMF) 진화를 비교하기 위해 Bolshoi-Planck 시뮬레이션과의 질량 밀도 매칭을 수행하였다.
• 현대 천체물리학적 파rameter에 일치하기 위해 WMAP7 기반 SHMR 추정치를 Planck 천체물리학 모델로 보정하기 위해 적응형 보정 계수를 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z~10에서의 항성 질량 함수의 형태와 정규화는 어떻게 되며, 낮은 적색편이 영역과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 z~10에서 z~6로의 기간 동안 항성 대 히알로 질량 비율은 얼마나 진화하며, 이는 은하 형성 효율에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 z~10에서 z~6로의 기간 동안 항성 질량 밀도는 어떻게 진화하며, 암흑 물질 히알로 질량 성장과 일치하는가?
• RQ4 천체적 변동성과 항성 질량 추정의 체계적 불확실성은 고적외선 SMF 측정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• z~10에서 항성 질량 함수가 처음으로 측정되었으며, 항성 질량 한계는 약 10⁸ M☉이며, 복귀 프레임 옵티컬에서 ≥2σ로 탐지된 은하 비율이 50%에 이르렀다.
• z~10에서 z~6로의 약 500 Myr 동안 항성 질량 밀도는 약 1000배 증가했으며, z~10에서 z~8로의 기간 동안 더 급격한 증가를 보였다.
• 항성 대 히알로 질량 비율(SHMR)은 z~10에서 z~6로의 기간 동안 유의미한 진화를 보이지 않아, 첫 10억 년 동안 항성 질량 조립이 히알로 질량 성장과 거의 동기화되어 있음을 시사한다.
• Bolshoi-Planck 시뮬레이션과의 질량 밀도 매칭 결과, z~10에서 z~4로의 기간 동안 히알로 질량 밀도의 진화 속도가 관측된 SMD 진화와 거의 동일함을 확인하였다.
• z~6–8에서의 항성 질량은 이전 추정치보다 약 0.2–0.3 dex 낮았으며, z~9에서는 약 0.5–1.0 dex 낮아, 더 높은 SNR의 IRAC 데이터가 더 어린 은하 집단과 낮은 M*/L 비율을 드러내어 이로 인한 것으로 보인다.
• WMAP7 기반 히알로 질량을 Planck 천체물리학 모델로 보정하기 위한 보정 계수는 약 0.05–0.06 dex 낮으며, SHMR에서 약 15% 높은 보정이 이루어지며, 적색편이에 따라 변화하지만 10¹⁰.⁵–10¹² M☉ 범위에서는 질량 의존성이 거의 없었다.