[논문 리뷰] Insight from JWST/NIRCam into galaxy overdensities around bright Ly$α$ emitters during reionization: implications for ionized bubbles at $z \sim 9$

Lily Whitler, Daniel P. Stark외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 26.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 8

한 줄 요약

본 연구는 JWST/NIRCam CEERS 이미징을 사용해 EGS에서 z=8.7의 두 UV-밝은 Lyα 방출체 주변의 희미한 이웃 은하를 찾고, 큰 이온화 버블의 가능성을 시사하는 유의한 과밀도를 발견하며 재이온화 토폴로지에 대한 함의를 논의한다.

ABSTRACT

Several studies have detected Lyman-alpha (Ly$α$) from bright ($M_\mathrm{UV}\lesssim-21.5$) galaxies during the early stages of reionization despite the significantly neutral intergalactic medium. To explain these detections, it has been suggested that $z>7$ Ly$α$ emitters (LAEs) inhabit physical Mpc (pMpc)-scale ionized regions powered by overdensities of faint galaxies, but systematic searches for these overdensities near LAEs have been challenging. Here, we use CEERS JWST/NIRCam imaging to search for large-scale galaxy overdensities near two very UV-bright, $z=8.7$ LAEs in the EGS field. We colour select 27 $z=8.4-9.1$ candidates, including the one LAE in the footprint (EGSY8p7). From SED models, we infer moderately faint UV luminosities ($-21.2\lesssim{M_\mathrm{UV}}\lesssim -19.1$) and stellar masses of $M_*\approx10^{7.5-8.8}$ M$_\odot$. All are efficient ionizing agents ($ξ_{\mathrm{ion}}^{*}\approx10^{25.5-26.0}$ Hz erg$^{-1}$) and are generally morphologically simple with only one compact ($r_e\lesssim140$ to $\sim650$ pc) star-forming component. 13 candidates lie within 5 arcmin of EGSY8p7, leading to a factor-of-four galaxy overdensity at $\lesssim 5$ arcmin ($\sim 1.4$ projected pMpc at $z\sim8.7$) separations from EGSY8p7. Separations of $10-15$ arcmin ($\sim2.7-4.1$ projected pMpc) are consistent with an average field. The spatial distribution of our sample may qualitatively suggest an $R\geq2$ pMpc ionized bubble encompassing both LAEs in EGS, which is theoretically unexpected but may be possible for a galaxy population $4 imes$ more numerous than the average to create with moderate escape fractions ($f_\mathrm{esc}\gtrsim0.15$) over long times ($\gtrsim200$ Myr). Upcoming spectroscopic follow-up will characterize the size of any ionized bubble that may exist and the properties of the galaxies powering such a bubble.

연구 동기 및 목표

• z≈8.7에서 매우 UV-광도 높은 Lyα 방출체가 대규모 은하 과밀에 위치하는지 평가합니다.
• 잠재적 이온화 소스와 버블 크기를 파악하기 위해 희미한 이웃 은하를 매핑합니다.
• EGSY8p7 및 관련 LAE 주변의 과밀도 진폭과 규모를 정량화해 이온화 버블 특성을 추론합니다.

제안 방법

• 드 깊은 CEERS JWST/NIRCam 이미징을 ~85 arcmin^2에서 활용해 z~8.7 Lyman-브레이크 은하 후보를 dropout 선택으로 식별합니다.
• JWST NIRCam 광측광과 HST/ACS 광학 데이터를 결합해 SED를 구성하고 물리적 특성을 도출합니다.
• PSF 동등화와 이웃 제거를 위한 타원 Kron 광측법을 적용해 다-band 광도측정의 견고함을 확보합니다.
• 광학 카이제곱 및 색 조건으로 z~8.4–9.1 후보를 선별하고 mock SED 및 Lyα EW 변화를 통해 완전성을 평가합니다.
• BEAGLE SED 모델을 사용해 priors에 따라 z≥4로 소스를 설정해Photometric redshifts 및stellar masses를 추정합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=8.7의 Lyα 방출체 주위에 희미하고 중간 정도 UV-밝은 은하가 군집을 이루어 대규모 과밀을 나타내나요?
• RQ2 LAE 주변의 예상 공간 규모와 과밀도 진폭은 어떠하며, 재이온화 시기에 이온화 버블의 크기에 무엇을 시사하나요?
• RQ3 Lyα 방출과 잠재적 과밀도가 이웃 은하의 이온화 광자 생산과 탈출 분율과 어떤 관계가 있나요?

주요 결과

• CEERS 필드의 두 UV-밝은 LAE(EGSY8p7 포함) 주변에서 z~8.4–9.1 dropout 후보 27명 식별.
• EGSY8p7에서 5 arcmin 이내에 13명의 후보가 위치해 separations ≲5 arcmin에서 은하 과밀도가 4배의 계수로 나타남(적재 1.4 projected pMpc at z~8.7).
• 10–15 arcmin 간격의 분리는 평균 필드와 일치하는 것으로 간주.
• Beagle 기반 모델링은 후보들의 MUV가 −21.2에서 −19.1 사이, 은별 질량이 ~10^7.5–10^8.8 M⊙ 이고 이온화 효율이 높으며 (log(ξion*) ≈ 25.5–26.0 Hz erg−1)임을 시사.
• 공간 분포는 LAE 두 개를 포괄하는 R ≥ 2 pMpc의 이온화 버블을 정성적으로 시사할 수 있으며, 주변 은하 인구가 우주 평균의 약 4배이고 fesc ≳ 0.15 이상이며 ≳200 Myr 동안 가능할 경우에 실현 가능하다.