[논문 리뷰] On the ages of bright galaxies $\sim 500$ Myr after the Big Bang: insights into star formation activity at $z \gtrsim 15$ with JWST

Lily Whitler, Ryan Endsley외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 02.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 JWST의 향상된 복원 광학 감도를 활용하여 $ z \sim 8.5-11 $ 범위의 일곱 개의 자외선 빛나는 은하의 연령과 은하 형성 역사를 분석하며, 중앙값 연령이 약 ~20 Myr임을 추론한다. 이 연구는 $ z \sim 8.5-11 $ 에서 $ z \gtrsim 15 $ 로 갈수록 빛나는 은하의 수밀도가 약 30배 감소할 것으로 예측하며, 이는 초기 은하 형성 활동이 급격히 감소했음을 시사한다.

ABSTRACT

With JWST, new opportunities to study the evolution of galaxies in the early Universe are emerging. Spitzer constraints on rest-optical properties of $z\gtrsim7$ galaxies demonstrated the power of using galaxy stellar masses and star formation histories (SFHs) to indirectly infer the cosmic star formation history. However, only the brightest individual $z\gtrsim8$ objects could be detected with Spitzer, making it difficult to robustly constrain activity at $z\gtrsim10$. Here, we leverage the greatly improved rest-optical sensitivity of JWST at $z\gtrsim8$ to constrain the ages of seven UV-bright ($M_{UV}\lesssim-19.5$) galaxies selected to lie at $z\sim8.5-11$, then investigate implications for $z\gtrsim15$ star formation. We infer the properties of individual objects with two spectral energy distribution modelling codes, then infer a distribution of ages for bright $z\sim8.5-11$ galaxies. We find a median age of $\sim20$ Myr, younger than that inferred at $z\sim7$ with a similar analysis, consistent with an evolution towards larger specific star formation rates at early times. The age distribution suggests that only $\sim3$ percent of bright $z\sim8.5-11$ galaxies would be similarly luminous at $z\gtrsim15$, implying that the number density of bright galaxies declines by at least an order of magnitude between $z\sim8.5-11$ and $z\sim15$. This evolution is challenging to reconcile with some early JWST results suggesting the abundance of bright galaxies does not significantly decrease towards very early times, but we suggest this tension may be eased if young stellar populations form on top of older stellar components, or if bright $z\sim15$ galaxies are observed during a burst of star formation.

연구 동기 및 목표

• JWST의 향상된 복원 광학 감도를 활용하여 $ z \sim 8.5-11 $ 에서 빛나는 은하의 연령과 은하 형성 역사를 제약하는 것.
• 이 연령 제약이 우주의 어둠의 시대 동안 $ z \gtrsim 15 $ 에서 은하 형성 활동에 미치는 영향를 추론하는 것.
• $ z \sim 8.5-11 $ 에서 $ z \gtrsim 15 $ 로 갈수록 빛나는 은하의 수밀도 변화를 평가하는 것.
• 예측된 빛나는 은하 밀도 감소와 고적색도에서의 수밀도 변화가 거의 없음을 시사하는 초기 JWST 관측 결과 사이의 모순을 조율하는 것.
• 젊은 별 집단이 오래된 구성 요소 위에 형성되거나 짧은 기간 동안의 은하 형성 폭발이 고적색도 후보 수와의 갈등을 완화시킬 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• JWST/NIRCam 광도측정 자료에서 은하 성질을 추론하기 위해 두 가지 독립적인 코드인 beagle 과 Prospector 를 사용한 스펙트럼 에너지 분포(SED) 모델링.
• 함수 형태를 가정하지 않고 데이터 기반으로 은하 형성 역사를 탄력적으로 재구성할 수 있도록 비모수적 SFH 모델을 적용.
• 매개변수 공간 탐색과 연령 및 SFH에 대한 사후 분포 유도를 위해 베이지안 추론과 중첩 샘플링(MultiNest)을 사용.
• 복원 광학 감도를 기반으로 $ M_{\textsc{uv}} \approx -20 $ 을 갖는 은하 중에서 $ z \sim 15 $ 에서도 빛나기 위해 충분히 오래된 별 집단(>270 Myr)을 가진 비율을 추정.
• 유도된 연령 분포를 초기 은하 진화에 대한 이론적 기대와 비교하고, 간접적으로 은하 형성 역사를 제약하는 데 사용.
• 모델링 가정과 광도 측정 불확실성에 대한 민감도 분석을 통해 결과의 탄력성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UV 빛나는 은하의 연령은 $ z \sim 8.5-11 $ 에서 어떻게 추론되며, 저적색도에서의 연령와 비교해보면 어떠한가?
• RQ2 이 은하들의 연령 분포는 $ z \gtrsim 15 $ 에서 빛나는 은하의 수밀도 감소를 어느 정도 암시하는가?
• RQ3 관측된 $ z \gtrsim 12 $ 후보자의 밀도는 예측된 빛나는 은하 수의 급격한 감소와 어떻게 조율될 수 있는가?
• RQ4 젊은 별 집단이 오래된 구성 요소 위에 형성되거나 은하 형성 폭발 기간 동안 형성된 경우, 고적색도 은하 수의 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이러한 연령 및 SFH 추론은 $ z \gtrsim 15 $ 에서의 간접적 은하 형성 역사를 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• 일곱 개의 $ z \sim 8.5-11 $ 은하의 중앙값 연령은 약 ~20 Myr로, 매우 최근의 은하 형성 활동을 시사한다.
• 이 연령은 $ z \sim 7 $ 에서 유사한 은하의 연령보다 현저히 작으며, 초기 우주에서 특정 은하 형성률이 증가했음을 일관되게 뒷받침한다.
• $ z \sim 8.5-11 $ 에서 $ M_{\textsc{uv}} \approx -20 $ 은하 인구 중 약 3%만이 $ z \sim 15 $ 에서도 빛나기 위해 충분히 오래된 별 집단(>270 Myr)을 가질 수 있다.
• 이는 $ z \sim 8.5-11 $ 와 $ z \gtrsim 15 $ 사이에서 빛나는 은하의 수밀도가 약 30배 감소했음을 의미하며, 이는 초기 은하 형성 활동이 급격히 감소했음을 시사한다.
• 이 예측된 감소는 일부 초기 JWST 결과와 모순되며, 이는 $ z \gtrsim 12 $ 에서 빛나는 은하 밀도 변화가 거의 없음을 암시하고 있다.
• 이 갈등은 $ z \gtrsim 15 $ 은하가 젊은 별 집단을 오래된 구성 요소 위에 형성하거나 잠깐 동안의 은하 형성 폭발 중에 관측된 경우에 해결될 수 있다.