[논문 리뷰] Size - Stellar Mass Relation and Morphology of Quiescent Galaxies at $z\geq3$ in Public $JWST$ Fields

Kei Ito, Francesco Valentino외 20명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 13.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 JWST/NIRCam 이미징을 사용하여 z≥3에서 26개의 휴면은하의 크기-질량 관계와 형태를 분석하며, 파장에 따른 크기의 음성 상관관계와 M⋆=5×10¹⁰ M☉에서 국지 관계보다 약 0.6 kpc 아래에 위치한 복사역 0.5 μm 크기-질량 관계를 발견한다. 결과는 z≈3–5 기간 동안 일관된 크기 성장을 의미하며, 형태의 변화는 z>3에서 복사핵 지배적인 구조로의 전환을 암시한다.

ABSTRACT

We present the results of a systematic study of the rest-frame optical morphology of quiescent galaxies at $z \geq 3$ using the Near-Infrared Camera (NIRCam) onboard $JWST$. Based on a sample selected by $UVJ$ color or $NUVUVJ$ color, we focus on 26 quiescent galaxies with $9.8<\log{(M_\star/M_\odot)}<11.4$ at $2.810.3$ implies that our size - stellar mass relations are below those at lower redshifts, with the amplitude of $\sim0.6\, { m kpc}$ at $M_\star = 5 imes 10^{10}\, M_\odot$. This value agrees with the extrapolation from the size evolution of quiescent galaxies at $z<3$ in the literature, implying that the size of quiescent galaxies increases monotonically from $z\sim3-5$. Our sample is mainly composed of galaxies with bulge-like structures according to their median Sérsic index and axis ratio of $n\sim3-4$ and $q\sim0.6-0.8$, respectively. On the other hand, there is a trend of increasing fraction of galaxies with low Sérsic index, suggesting $3

연구 동기 및 목표

• JWST/NIRCam 데이터를 활용하여 z≥3 휴면은하의 복사역 옵티컬 형태를 조사하기 위해.
• 고적색편이 휴면은하의 크기-질량 관계를 측정하고, 낮은 적색편이 관계와 비교하기 위해.
• Sérsic 프로파일 피팅을 통해 z≈3에서 z≈5 기간 동안의 구조적 진화를 평가하기 위해.
• 이 기간 동안 형태 전환, 특히 디스키 성분의 등장 여부를 확인하기 위해.

제안 방법

• 2.8<zphot<4.6 및 9.8<log(M⋆/M☉)<11.4 조건을 만족하는 공개된 JWST 필드에서 UVJ 또는 NUVUVJ 색상 선택을 통해 26개의 휴면은하를 선별하였다.
• Galfit를 사용하여 다중 대역 NIRCam 이미지에 대해 Sérsic 프로파일을 피팅하여 유효 반경, Sérsic 지수, 축비를 측정하였다.
• 관측 대역 측정치를 보간하여 복사역 0.5 μm 크기로 校정하였으며, 파장에 따른 크기 편향을 보정하였다.
• 피팅 품질은 플래그와 부트스트랩 불확실성으로 평가하였으며, 작은 크기(re<0.02 arcsec)의 경우 모의 은하 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
• 유사한 크기-질량 관계를 낮은 적색편이 관계(z<3 등)와 비교하여 크기 진화 경향을 유추하기 위해.
• 특히 적색편이 밴드 간에 분석한 Sérsic 지수 및 축비 분포를 통해 형태적 경향을 분석하였다.

Figure 1: Color images of all quiescent galaxies used in this study. F277W, F356W, and F444W images are used for blue, green, and red, respectively. All images are $4.0\arcsec\times 4.0\arcsec$ centered on each quiescent galaxy. They are sorted according to their photometric redshift. At the bottom

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z≥3에서 휴면은하의 복사역 0.5 μm 크기-질량 관계는 낮은 적색편이 관계와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 고적색편이 휴면은하의 구조적 형태(SeRsic 지수, 축비)는 무엇이며, 적색편이에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 z≈3에서 z≈5 사이에 형태 전환 시기의 증거가 있는가, 특히 디스키 성분의 등장 여부는?
• RQ4 다양한 대역에서의 크기 측정치 간 상관관계는 어떻게 되며, 이는 복사역 크기 校정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 PSF 해상도 한계에 가까운 컴팩트하고 신호대비잡음비가 낮은 은하의 크기 측정은 얼마나 신뢰할 수 있는가?

주요 결과

• z≥3에서 휴면은하의 크기-질량 관계는 M⋆=5×10¹⁰ M☉에서 국지 관계보다 약 0.6 kpc 아래에 위치하며, z≈3–5 기간 동안의 크기 진화와 일치한다.
• z≥3에서 은하들은 복사역 0.5 μm 크기와 항성 질량 간에 유의미한 상관관계를 보이며, 중앙 Sérsic 지수는 n≈3–4, 축비는 q≈0.6–0.8로 나타나 복사핵 유사 형태를 나타낸다.
• 높은 적색편이(3<z<5)에서 낮은 Sérsic 지수(n<3) 은하의 비율이 증가하는 경향은, 디스키 성분이 두드러진 휴면 성분이 포함된 형태 전환 단계를 암시한다.
• 다양한 대역에서의 크기 측정치는 관측 파장과 음성 상관관계를 보이며, 복사역 크기를 유도하기 위해 다중 대역 피팅이 필요하다.
• z≥3에서의 크기-질량 관계는 z<3에서의 크기 진화 외삽과 일치하여, z≈5에서 현재까지 지속적인 크기 성장을 암시한다.
• 신뢰도 테스트 결과, PSF 해상도 한계(re≈0.02 arcsec) 근처의 컴팩트 은하의 경우에도 크기 및 구조적 매개변수 측정이 신뢰할 수 있음을 확인하였다.

Figure 2: Left panel: $UVJ$ diagram (Williams et al., 2009 ) . Squares represent quiescent galaxies selected by the $UVJ$ only, whereas circles represent those selected by $UVJ$ and $NUVUVJ$ . They are colored according to their photometric redshift, and the markers are larger for more massive galax