[논문 리뷰] Identification of a transition from stochastic to secular star formation around $z=9$ with JWST

L. Ciesla, D. Elbaz외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 16인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 JADES 조사에서 확보한 JWST 데이터를 활용하여 고적색변위 영역(6 < z < 12)의 은하에서의 별 형성 역사(SFHs)를 분석한다. 비모수적 SED 모델링을 CIGALE를 사용하여 적용하고, SFR 기울기라는 역학적 지표를 도입함으로써 z ≈ 9 근처에서 확률적 별 형성에서 점진적 별 형성으로의 전이가 발생하는 것으로 규명된다. 질량이 큰 은하(log M∗ ≳ 9)는 이 시점에서 폭발적인 형성에서 주요 시퀀스 유사 행동으로 전환되지만, 확률적 성향 수준이 너무 낮아 z ≳ 10에서 관측된 자외선 볼륨 함수 과잉을 완전히 설명할 수는 없다.

ABSTRACT

Star formation histories (SFH) of early (6$9$, 87% of massive galaxies, ($\log(M_\ast/M_\odot)\gtrsim$9), have SFR gradients consistent with a stochastic star-formation activity during the last 100 Myr, while this fraction drops to 15% at $z&lt;7$. On the other hand, we see an increasing fraction of galaxies with a star-formation activity following a common stream on the SFR-$M_\ast$ plane with cosmic time, indicating that a secular mode of star-formation is emerging. We place our results in the context of the observed excess of UV emission as probed by the UV luminosity function at $z\gtrsim10$, by estimating $σ_{UV}$, the dispersion of the UV absolute magnitude distribution, to be of the order of 1.2mag and compare it with predictions from the literature. In conclusion, we find a transition of star-formation mode happening around $z\sim9$: Galaxies with stochastic SFHs dominates at $z\gtrsim9$, although this level of stochasticity is too low to reach those invoked by recent models to reproduce the observed UV luminosity function.

연구 동기 및 목표

• 고적색변위 6 < z < 12 범위의 초기 은하에서 은하 질량과 적색변위에 따라 별 형성 역사(SFHs)의 변동성을 규명하는 것.
• 특히 z ≈ 9 근처에서 고적색변위에서 우연적 또는 점진적 별 형성 방식 중 어느 것이 지배적인지 조사하는 것.
• z ≳ 10에서 관측된 자외선 과잉이 우연적 SFHs에 의해 설명될 수 있는지 평가하는 것.
• 역학적 피드백과 질량 집합이 폭발적에서 연속적 별 형성으로의 전이에 기여하는 방식을 평가하는 것.
• 자외선 절대 등급의 산란도(σ_UV)를 정량화하고, 이 값이 우연적 성향 기반 이론 예측과 어떻게 비교되는지 평가하는 것.

제안 방법

• James Webb 우주망원경(JWST)으로 관측된 고적색변위 은하에 대한 공개된 JADES 카탈로그를 활용하였다.
• 선형 시간 간격과 평탄한 사전 확률를 사용하여 최대한의 우연적 성향 복원을 위해 비모수적 SFH를 적용한 CIGALE SED 모델링 코드를 적용하였다.
• SFR 기울기—최근 100 Myr 동안 SFR–M∗ 평면에서의 이동을 측정한 지표—를 도입하여 최근 SFH 진화의 역학적 지표로 활용하였다.
• 자외선 절대 등급 분포의 산란도 σ_UV를 계산하여 자외선 빛의 우연적 성향 수준을 평가하였다.
• Narayanan 등(2023)의 시뮬레이션 은하를 대상으로 비모수적 SFH 방법의 유효성을 검증하였으며, 기존의 폭발적 연속성 사전 확률보다 더 나은 SFH 재구성 능력을 확인하였다.
• 적색변위 구간(6 < z < 7, 7 < z < 9, z > 9)을 분석하여 우주의 시간에 따른 SFH 모드의 진화를 추적하였다.

Figure 1: Stellar mass as a function of redshift for the JADES sample (grey dots) and the selected galaxies studied in this work. Colours highlight the three redshift bins analysed in this work.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 은하에서 별 형성의 주된 방식이 우연적에서 점진적으로 전이되는 적색변위는 언제인가?
• RQ2 SFR–은하 질량 관계는 적색변위에 따라 어떻게 변화하며, 이는 SFH의 변동성에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ3 우연적 별 형성은 z ≳ 10에서 관측된 자외선 볼륨 함수 과잉을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ4 측정된 자외선 절대 등급 산란도(σ_UV)는 얼마이며, 이는 우연적 SFH 모델 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 질량이 큰 은하(log M∗ ≳ 9)의 SFH는 z ≈ 10에서 z ≈ 7로의 진화 과정에서 어떻게 변화하는가? 이는 주요 시퀀스에 대한 그들의 위치에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• z > 9에서는 질량이 큰 은하(log M∗ ≳ 9)의 87%가 최근 100 Myr 동안 우연적 별 형성과 일치하는 SFR 기울기를 보였다.
• z < 7에서는 이 비율이 15%로 감소하여 질량이 큰 은하에서 점진적, 주요 시퀀스 유사 별 형성으로의 강한 전이가 발생했음을 시사한다.
• SFR 기울기 분포는 z < 7에서는 약 40° 근처에 피크를 보이며 점진적 모드를, z > 9에서는 약 0° 근처에 피크를 보이며 우연적 모드를 나타내며, 전이가 7 < z < 9 적색변위 구간에서 발생한다.
• 저질량 은하(log M∗ < 8.5)는 모든 적색변위에서 우연적 SFH를 보이며, z > 9에서 SFR–질량 상관관계가 뚜렷하지 않다.
• 관측된 자외선 등급 산란도 σ_UV는 1.2 ± 0.1 mag이며, 이는 우연적 성향에 의해 z ≳ 10에서 자외선 볼륨 함수 과잉을 완전히 설명하기에는 너무 낮다.
• 초기에는 우연적 단계를 거쳤음에도 불구하고, SFH의 변동성 수준은 여전히 z ≳ 10에서 자외선 빛의 은하 과잉을 설명하기에 부족하여 추가적인 물리적 메커니즘이 작용하고 있을 가능성이 있다.

Figure 2: Left panel: Stellar mass recovered with cigale using the non-parametric SFH with no prior versus the true stellar mass of the simulated SEDs. Light green dots are obtained using a non-parametric SFH with bursty continuity prior while the drak green dots are obtained with the non-parametric