[논문 리뷰] Spectroscopic Confirmation of CEERS NIRCam-selected Galaxies at $\boldsymbol{z \simeq 8-10}$

Pablo Arrabal Haro, Mark Dickinson외 46명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 11.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 11

한 줄 요약

요약: 이 논문은 JWST/NIRSpec 프리즘 분광기를 사용해 CEERS NIRCam에서 선택된 z>8 은하 4개를 확인하고, 방출선으로부터의 적색편과는 7.65–8.64, 연속체 붕괴로부터의 적색편과는 9.77–10.01을 도출하며, 광사진정 적색편의 신뢰도와 초기 은하군에 대한 시사점을 평가한다.

ABSTRACT

We present JWST/NIRSpec prism spectroscopy of seven galaxies selected from the Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS) NIRCam imaging with photometric redshifts z_phot>8. We measure emission line redshifts of z=7.65 and 8.64 for two galaxies, and z=9.77(+0.37,-0.29) and 10.01(+0.14,-0.19) for two others via the detection of continuum breaks consistent with Lyman-alpha opacity from a mostly neutral intergalactic medium. The presence (absense) of strong breaks (strong emission lines) give high confidence that these two galaxies are at z>9.6, but the break-derived redshifts have large uncertainties given the low spectral resolution and relatively low signal-to-noise of the CEERS NIRSpec prism data. The two z~10 sources are relatively luminous (M_UV<-20), with blue continua (-2.38 candidates with CEERS NIRSpec spectroscopy do not have secure redshifts, but the absence of emission lines in their spectra is consistent with redshifts z>9.6. We find that z>8 photometric redshifts are generally in agreement (within uncertainties) with the spectroscopic values. However, the photometric redshifts tend to be slightly overestimated (average Delta(z)=0.50+/-0.12), suggesting that current templates do not fully describe the spectra of very high-z sources. Overall, our results solidifies photometric evidence for a high space density of bright galaxies at z>8 compared to theoretical model predictions, and further disfavors an accelerated decline in the integrated UV luminosity density at z>8.

연구 동기 및 목표

• CEERS NIRCam 이미징으로 선택된 고적색편 은하 후보의 spectroscopic redshifts로 검증.
• NIRSpec 프리즘 데이터에서 방출선과 Lyα 연속 붕괴를 사용해 적색편 측정.
• z>8 은하의 photometric redshift 신뢰성과 이들의 우주적 별 형성 역사에 대한 함의를 평가.
• z>8에서의 UV 광도 밀도에 대한 이론적 예측과 spectroscopic 결과를 비교.

제안 방법

• CEERS NIRCam 이미징에서 z>8 은하 후보를 선택하고 MSA 기반 NIRSpec 프리즘 관측 수행.
• JWST 파이프라인으로 NIRSpec 데이터를 감소시키고, 맞춤 1D 스펙트럼 추출 및 슬릿 손실 보정 적용.
• 감지된 경우 [O III] 5008 방출로부터 적색편 측정, 낮은 해상도 프리즘 데이터에서 Lyα 붕괴를 세 가지 Lyα-붕괴 적합 방식(MCMC1, MCMC2, 및 eazy 기반)으로 측정.
• eazy를 사용한 탑햇 필터링 프리즘 스펙트럼에서 Lyα-붕괴 기반 적색편 도출 후 방출선 적색편과 비교.
• 보조 샘플의 확실한 [O III] 적색편과의 비교를 통해 Lyα-붕괴 방법의 정확도와 분산을 평가.

Figure 1: F277W 2 ${}^{\prime\prime}\times 2^{\prime\prime}$ cutouts of the seven NIRCam-selected $z>8$ candidates included in CEERS epoch 3 NIRSpec MSA observations with the NIRSpec MSA shutter positions overlaid.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 epoch 3 NIRSpec 관측에서 CEERS NIRCam-선정 은하 중 z>8에 대한 spectroscopic 적색편은 무엇인가?
• RQ2 저해상도 프리즘 데이터에서 방출선으로부터의 적색편과 Lyα 연속 붕괴로부터의 적색편은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 JWST의 spectroscopic 측정과 대면하는 z>8 은하에 대한 photometric redshift의 신뢰성은 어느 정도인가?
• RQ4 이 이러한 spectroscopic 확인은 초기 우주에서 밝은 은하의 공간 밀도와 UV 광도 밀도에 대해 어떤 시사점을 주는가?

주요 결과

• 네 개의 z>8 CEERS 은하가 관측되었으며, 두 개는 방출선으로 z≈7.65–8.64를 주고, 두 개는 z>9.6에 부합하는 강한 연속 붕괴를 보인다.
• 하나의 z≈9.77 및 하나의 z≈10.01은 Lyα-붕괴 적합으로 추정되며, 스펙트럴 해상도와 S/N으로 인한 불확실성이 크다.
• 두 z≈10 소스는 상대적으로 광도가 높고(MUV < -20), 청색 연속체와 낮은 먼지 감쇠(AV ~ 0.15)를 보인다.
• 전반적으로 z>8의 photometric redshift는 spectroscopic redshift와 대체로 일치하지만 평균적으로 다소 과대평가되는 경향(Δz ≈ 0.45)이 있다.
• 스펙트roscopic 데이터는 z>8에서 밝은 은하의 높은 공간 밀도를 지지하고, 일부 모델에 비해 z>8에서 UV 광도 밀도 급감은 약하다는 시사점을 뒷받침한다.
• z>8 CEERS NIRSpec 샘플 전반에서 간섭체 비율은 낮은 편이다(약 8%).

Figure 2: Ly $\alpha$ break redshift estimations for CEERS sources at $z>6.6$ with detections of both the Ly $\alpha$ break and emission lines in NIRSpec prism spectra. Several different break redshift measurements are compared to the redshifts derived from the [O iii ]5008 line, here taken as the f