[논문 리뷰] Morphologies of Galaxies at $z \gtrsim 9$ Uncovered by JWST/NIRCam Imaging: Cosmic Size Evolution and an Identification of an Extremely Compact Bright Galaxy at $z\sim 12$

Yoshiaki Ono, Yuichi Harikane외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 29.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 JWST/NIRCam 이미징을 사용하여 $z \gtrsim 9$에서 고적색편이 은하의 형상을 분석하며, GALFIT 표면 brightness 프로파일 피팅과 몬테카를로 시뮬레이션을 활용해 유효 반경을 측정한다. GL-z12-1은 $z \sim 12$에서 매우 밀도 높은 은하로, $r_{\rm e} = 39 \pm 11$ pc를 보이며, 천체역학 시뮬레이션에서 초기 단계의 고립된 별 형성과 일치하고, $z \sim 0$에서 $16$까지의 우주 크기 진화 스케일링이 $r_{\rm e} \propto (1+z)^{-1.22}$임을 확인한다.

ABSTRACT

We present morphologies of galaxies at $z \gtrsim 9$ resolved by JWST/NIRCam $2$-$5μ$m imaging. Our sample consists of $22$ galaxy candidates identified by stringent dropout and photo-$z$ criteria in GLASS, CEERS, SMACS J0723, and Stephan's Quintet flanking fields, one of which has been spectroscopically identified at $z=11.44$. We perform surface brightness (SB) profile fitting with GALFIT for $6$ bright galaxies with S/N $=10$-$40$ on an individual basis and for stacked faint galaxies with secure point-spread functions (PSFs) of the NIRCam real data, carefully evaluating systematics by Monte-Carlo simulations. We compare our results with those of previous JWST studies, and confirm that effective radii $r_{ m e}$ of our measurements are consistent with those of previous measurements at $z\sim 9$. We obtain $r_{ m e}\simeq 200$-$300$ pc with the exponential-like profiles, Sérsic indexes of $n\simeq 1$-$1.5$, for galaxies at $z\sim 12$-$16$, indicating that the relation of $r_{ m e}\propto (1+z)^s$ for $s=-1.22^{+0.17}_{-0.16}$ explains cosmic evolution over $z\sim 0$-$16$ for $\sim L^*_{z=3}$ galaxies. One bright ($M_{ m UV}=-21$ mag) galaxy at $z\sim 12$, GL-z12-1, has an extremely compact profile with $r_{ m e}=39 \pm 11$ pc that is surely extended over the PSF. Even in the case that the GL-z12-1 SB is fit by AGN$+$galaxy composite profiles, the best-fit galaxy component is again compact, $r_{ m e}=48^{+38}_{-15}$ pc that is significantly ($>5σ$) smaller than the typical $r_{ m e}$ value at $z\sim 12$. Comparing with numerical simulations, we find that such a compact galaxy naturally forms at $z\gtrsim 10$, and that frequent mergers at the early epoch produce more extended galaxies following the $r_{ m e}\propto (1+z)^s$ relation.

연구 동기 및 목표

• 깊은 JWST/NIRCam 이미징을 사용하여 $z \gtrsim 9$에서 고적색편이 은하의 형상과 유효 반경을 측정한다.
• 우주 시간에 따른 은하 크기 진화를 $z \sim 0$에서 $16$까지 분석하고, $r_{\rm e} \propto (1+z)^s$ 스케일링 관계를 시험한다.
• GL-z12-1과 같이 $z \sim 12$에서 매우 밀도 높은 은하를 식별하고 특성화하며, 그 형성 메커니즘을 평가한다.
• 관측된 은하 크기와 별 형성 표면 밀도를 천체역학 시뮬레이션과 비교하여 형성 시나리오를 제약한다.
• 실제 PSF와 신호 대 잡음 비율을 고려한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 크기 측정의 체계적 편향을 평가한다.

제안 방법

• 개별 S/N = 10–40를 가진 6개의 밝은 은하와 스택된 희미한 은하에 대해 GALFIT를 사용한 표면 밝기 프로파일 피팅.
• 실제 JWST/NIRCam PSF를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통한 체계적 오차 보정으로, 희미한 물체에서 크기와 빛의 세기의 과소평가를 보정한다.
• 낮은 질량 은하에서 별 형성 분포를 비교하기 위해 휴대형 우주선 및 광학 표면 밝기 프로파일의 사용.
• 관측된 크기-광도 관계를 HST 기반 외삽과 천체역학 시뮬레이션과 비교하여 일관성을 평가한다.
• GL-z12-1에 대해 AGN + 은하 복합 프로파일 모델링을 수행하여 핵 활동의 영향 없이도 별 성분의 밀도를 독립적으로 시험한다.
• GL-z12-1의 블랙홀 질량과 항성 질량을 국지 $M_{\rm BH}$–$M_{\rm star}$ 관계와 비교하여 초기 블랙홀 형성 시나리오를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색편이 은하의 유효 반경은 $z \sim 9$–$16$에서 어떻게 되며, 이는 우주의 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 광도가 $\sim L^{*}_{z=3}$ 수준인 은하에 대해 $z \sim 0$에서 $16$까지 관측된 $r_{\rm e} \propto (1+z)^s$ 스케일링 관계는 일관된가?
• RQ3 GL-z12-1이 $z \sim 12$에서 매우 밀도 높은 크기($r_{\rm e} = 39 \pm 11$ pc)를 가지는 것은 표준 별 형성 또는 AGN 활동으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 고-$z$ 은하의 별 형성 표면 밀도는 $z \sim 6$–$8$의 경우와 비교해 어떻게 되며, 이는 그들의 형성 메커니즘에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 천체역학 시뮬레이션은 $z \gtrsim 10$에서 이러한 밀도 높은 은하의 형성을 지지하는가? 어떤 물리적 조건이 밀도 높은 형태와 확산된 형태를 어떻게 유도하는가?

주요 결과

• 고적색편이 $z \sim 12$–$16$ 은하의 유효 반경은 $r_{\rm e} \simeq 200$–$300$ pc이며, 세르시크 지수 $n \simeq 1$–$1.5$로, 지수형 프로파일과 일치한다.
• $\sim L^{\ast}_{z=3}$ 은하의 크기 진화는 $r_{\rm e} \propto (1+z)^s$를 따르며, $s = -1.22^{+0.17}_{-0.16}$로, $z \sim 0$에서 $16$까지 확장된다.
• GL-z12-1은 $r_{\rm e} = 39 \pm 11$ pc로 매우 밀도 높은 은하로 식별되었으며, $z \sim 12$에서 일반적인 $r_{\rm e}$보다 현저히 작다.
• 조합된 AGN + 은하 모델로도 최적의 피팅 결과로 얻어진 은하 성분은 $r_{\rm e} = 48^{+38}_{-15}$ pc로 여전히 밀도 높은 형태를 보이며, 일반 크기 척도 이하에서 $5\sigma$ 이상의 유의미한 수준이다.
• GL-z12-1의 별 형성 표면 밀도는 그의 밀도 높은 특성 덕분에 매우 높으며, $z \sim 6$–$8$에서 관측된 값과 일치하거나 초과한다.
• 천체역학 시뮬레이션은 GL-z12-1에서의 이러한 밀도 높은 별 형성은 상대적으로 고립된, 물질 유입이 지배적인 단계와 관련이 있음을 시사하며, $r_{\rm e} \sim 200$–$500$ pc인 더 큰 은하는 융합 또는 상호작용 단계와 관련이 있다.