[논문 리뷰] Star formation histories of UV-luminous galaxies at $z \simeq 6.8$: implications for stellar mass assembly at early cosmic times

Lily Whitler, Daniel P. Stark외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 z ≈ 6.8에서 UV 빛을 많이 내는 은하의 별 형성 역사(SFHs)를 두 가지 독립적인 코드를 사용한 SED 모델링으로 분석하여, 중간값으로 30–70 Myr의 별 집단 연령을 도출한다. 이는 15–30%의 은하가 매우 어린(≤10 Myr 이내)이며, 20–25%는 오래된(≥250 Myr) 것으로 나타나, 초기 별 질량 조립이 상당히 진행되어 있음을 시사하며, 모델 불확실성을 해결하기 위해 JWST가 필요하다는 점을 강조한다.

ABSTRACT

The variety of star formation histories (SFHs) of $z\gtrsim6$ galaxies provides important insights into early star formation, but has been difficult to systematically quantify. Some observations suggest that many $z\sim6-9$ galaxies are dominated by $\gtrsim200$ Myr stellar populations, implying significant star formation at $z\gtrsim9$, while others find that most reionization era galaxies are $\lesssim10$ Myr, consistent with little $z\gtrsim9$ star formation. Here, we quantify the distribution of ages of UV-bright ($-22.5\lesssim M_{UV}\lesssim-21$) galaxies colour-selected to lie at $z\simeq6.6-6.9$, an ideal redshift range to systematically study the SFHs of reionization era galaxies with ground-based observatories and Spitzer. We infer galaxy properties with two SED modelling codes and compare results, finding that stellar masses are largely insensitive to the model, but the inferred ages can vary by an order of magnitude. We infer a distribution of ages assuming a simple, parametric SFH model, finding a median age of $\sim30-70$ Myr depending on SED model. We quantify the fractions of $\leq10$ Myr and $\geq250$ Myr galaxies, finding that these systems comprise $\sim15-30$ percent and $\sim20-25$ percent of the population, respectively. With a flexible SFH model, the shapes of the SFHs are consistent with those implied by the simple model (e.g. young galaxies have rapidly rising SFHs). However, stellar masses can differ significantly, with those of young systems sometimes being more than an order of magnitude larger with the flexible SFH. We quantify the implications of these results for $z\gtrsim9$ stellar mass assembly and discuss improvements expected from JWST.

연구 동기 및 목표

• 지상 기반 및 스피저 연구에 적합한 적색편이 범위인 z ≈ 6.8에서 UV 빛을 많이 내는 은하의 별 집단 연령 분포를 정량화하는 것.
• 다른 SED 모델링 코드와 SFH 매개변수화 방식에 대한 별 질량과 연령 추정의 신뢰성 평가.
• 직접 관측이 제한된 z ≳ 9에서 이러한 SFH의 별 질량 조립에 대한 영향 조사.
• 특히 별 질량과 연령에 영향을 미치는 융통성 있는 SFH 모델의 영향 평가.

제안 방법

• Subaru/HSC, VISTA/IRAC, Spitzer/IRAC의 광도 데이터를 바탕으로 Prospector와 BEAGLE라는 두 가지 독립적인 코드를 사용해 SED 모델링을 수행한다.
• 중간 연령과 연령 분포를 추정하기 위해 단순한 매개변수화 SFH 모델(지수적으로 증가하거나 일정한)을 사용한다.
• 별 형성률 역사를 기반으로 한 융통성 있는 SFH 모델을 적용하여 단순 모델과의 편차를 평가한다.
• 다중 대역 광도를 활용해 광학적 적색편이를 제약하며, 이オン화 기체 방출선에 의한 오염 최소화에 중점을 둔다.
• 베이지안 추론을 통해 별 질량과 연령을 유도하며, 불확실성 전파에는 내장 샘플링(MultiNest)과 동적 내장 샘플링(dynesty)을 사용한다.
• 두 코드의 결과를 비교하여, 특히 어린 은하와 오래된 은하의 경우에 발생하는 체계적 차이를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≈ 6.8에서 UV 빛을 많이 내는 은하의 별 집단 연령 분포는 어떻게 되며, 이는 SED 모델링 가정에 따라 어떻게 달라지나?
• RQ2 z ≈ 6.8 은하의 추정 별 질량과 연령은 SFH 매개변수화 방식(단순 vs. 융통성 있는)의 선택에 따라 어떻게 달라지나?
• RQ3 z ≈ 6.8 은하 중 얼마나 많은 비율이 ≤10 Myr 또는 ≥250 Myr 이내로 간주될 수 있으며, 이는 z ≳ 9에서의 별 형성에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 이 적색편이 범위에서 이온화 기체 방출선 기여가 별 질량 추정에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 이 결과는 z ≳ 9에서의 총 별 질량 조립을 어떻게 제약하며, JWST는 어떤 향상 효과를 기대할 수 있는가?

주요 결과

• z ≈ 6.8에서 UV 빛을 많이 내는 은하의 중간 별 집단 연령은 SED 모델링 코드에 따라 30–70 Myr로 추정된다.
• 표본의 약 15–30%가 별 집단 연령이 ≤10 Myr로 일치하여, 지속적이거나 매우 최근의 별 형성 활동을 시사한다.
• 약 20–25%의 은하가 추정 연령 ≥250 Myr로 나타나, z ≳ 9에서 상당한 별 형성 활동이 있었음을 시사한다.
• 융통성 있는 SFH 모델을 사용할 경우, 특히 어린 은하의 경우 단순 모델에 비해 별 질량 추정치가 10배 이상 다를 수 있다.
• 융통성 있는 모델에서의 SFH 형태는 단순 모델과 유사하게 급격히 증가하는 별 형성 역사를 반영하고 있다.
• 이 연구는 SED 모델링 결과의 검증과 초기 은하 진화의 현재 불확실성을 해결하기 위해 ALMA 또는 JWST를 통한 독립적 질량 측정의 중요성을 강조한다.