[논문 리뷰] The evolution of the galaxy UV luminosity function at redshifts z ~ 8-15 from deep JWST and ground-based near-infrared imaging

C. T. Donnan, D. J. McLeod외 12명|Edinburgh Research Explorer (University of Edinburgh)|2022. 07. 25.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 초기 JWST NIRCam 데이터와 COSMOS의 UltraVISTA 이미징을 COSMOS에서 결합하여 z ≃ 8에서 15까지 evolving galaxy UV luminosity function를 도출하고, z ≈ 10까지 이중 파워-법칙 LF를 발견하며 z ≈ 15까지 ρUV 및 ρSFR의 점진적 감소를 확인한다.

ABSTRACT

We reduce and analyse the available James Webb Space Telescope (JWST) ERO and ERS NIRCam imaging (SMACS0723, GLASS, CEERS) in combination with the latest deep ground-based near-infrared imaging in the COSMOS field (provided by UltraVISTA DR5) to produce a new measurement of the evolving galaxy UV luminosity function (LF) over the redshift range $z = 8 - 15$. This yields a new estimate of the evolution of UV luminosity density ($ρ_{ m UV}$), and hence cosmic star-formation rate density ($ρ_{ m SFR}$) out to within $< 300$\, Myr of the Big Bang. Our results confirm that the high-redshift LF is best described by a double power-law (rather than a Schechter) function up to $z\sim10$, and that the LF and the resulting derived $ρ_{ m UV}$ (and thus $ρ_{ m SFR}$), continues to decline gradually and steadily up to $z\sim15$ (as anticipated from previous studies which analysed the pre-existing data in a consistent manner to this study). We provide details of the 61 high-redshift galaxy candidates, 47 of which are new, that have enabled this new analysis. Our sample contains 6 galaxies at $z \ge 12$, one of which appears to set a new redshift record as an apparently robust galaxy candidate at $z \simeq 16.4$, the properties of which we therefore consider in detail. The advances presented here emphasize the importance of achieving high dynamic range in studies of early galaxy evolution, and re-affirm the enormous potential of forthcoming larger JWST programmes to transform our understanding of the young Universe.

연구 동기 및 목표

• z ≳ 8에서의 은하 UV 광도함수 진화를 새로운 JWST ERO/ERS NIRCam 데이터와 COSMOS/UltraVISTA DR5 이미징으로 동기화하고 정량화한다.
• 세 개의 JWST 필드와 COSMOS/UltraVISTA에 걸쳐 z > 7.5의 견고한 고적대 은하 샘플을 구성하고 LF 및 파생된 UV 광도와 스타-형성률 밀도를 측정한다.
• LF 형태(이중 파워-법칙 대 Schechter)와 z ≈ 15까지의 진화를 평가하고 z ≈ 16.4 개체의 가능한 고적대 은하를 포함한 후보를 식별한다.
• 멀티 밴드 광사진상(photometry), SED 적합, 필드 간 일관성을 활용하여 저-z 오염원을 최소화하고 고적대 선택의 다이내믹 레인지와 신뢰성을 평가한다.]
• method2:Combine JWST NIRCam imaging (SMACS0723, CEERS, GLASS) with COSMOS/UltraVISTA DR5 near-infrared data to build z > 7.5 galaxy samples.
• method3:Perform PSF homogenisation and local depth estimation to obtain consistent multi-band photometry.
• method4:Compute photometric redshifts with EAZY using Pegase templates, check against brown dwarf contaminants, and validate with LePhare and McLure et al. codes.
• method5:Select high-z candidates via dropout criteria tailored to each field and require robust high-z solutions with Δχ2 criteria.
• method6:Derive UV absolute magnitudes, correct for total flux, and compute the UV luminosity function across redshift bins from z = 8 to z ≈ 15.

제안 방법

• 맺다 JWST NIRCam 이미징 (SMACS0723, CEERS, GLASS)과 COSMOS/UltraVISTA DR5 근적외선 데이터를 결합해 z > 7.5 은하 샘플을 구축한다.
• PSF 균일화와 지역 깊이 추정으로 다밴드 광도를 일관되게 얻는다.
• Pegase 템플릿을 사용한 EAZY로 광도적 적합(redshift)을 계산하고 갈색 난쟁이 오염원을 확인하며 LePhare 및 McLure 등 코드를 사용해 검증한다.
• 필드별로 맞춤 dropout 기준을 통해 고-z 후보를 선택하고 Δχ2 기준으로 강건한 고-z 해를 요구한다.
• UV 절대광도를 도출하고 총 플럭스 보정한 뒤 z = 8에서 z ≈ 15까지의 적분에서 UV 광도함수를 계산한다.

Figure 1: Spectral Energy Distribution (SED) fits for 4 example galaxies selected from within the final JWST high-redshift sample. The blue line shows the best-fitting (preferred) high-redshift solution, the green line shows the best-fitting (alternative) low-redshift solution, and the red points sh

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JWST 딥 필드를 COSMOS/UltraVISTA 데이터와 결합할 때 은하 UV 광도함수의 진화 형태는 z ≈ 8에서 15까지 어떻게 되는가?
• RQ2 고-z UV LF가 z ≈ 10까지는 이중 파워-법칙 혹은 Schechter 함수로 더 잘 설명되는가, 그리고 이를 z ≈ 15로 갈수록 어떻게 진화하는가?
• RQ3 z > 8에서의 UV 광도 밀도 및 우주적 별 형성률 밀도에 대한 시사점은 무엇이며 z ≈ 16까지의 가능한 밝은 엔드 은하 포함 여부는 어떤가?

주요 결과

• 고-z UV 광도함수는 z ≈ 10까지는 Schechter 함수보다는 이중 파워-법칙으로 가장 잘 설명된다.
• UV 광도밀도 ρUV와 암시된 우주적 스타-형성률 밀도 ρSFR은 z ≈ 15까지 점진적이고 지속적으로 감소한다.
• LF 분석을 가능하게 하는 61명의 고-z 은하 후보 샘플(새로 발견된 47명 포함)이며, z ≥ 12의 6개 은하 및 강건한 z ≈ 16.4 후보가 포함된다.
• 딥 필드를 JWST와 광대역 지상 이미징을 결합하는 고다이나믹 레인지의 가치를 보여주며 초기 은하 진화에 대한 시사점을 제공한다.
• 자세한 내용으로 COSMOS에서 45 arcmin^2의 JWST NIRCam 데이터와 COSMOS/UltraVISTA 이미지의 1.8 deg^2가 포함되며 z > 7.5 은하 16개가 COSMOS/UltraVISTA에 있다.

Figure 2: The rest-frame UV LF at $z=8,9,10.5$ and $z=13.25$ shown as black points. We include data points from McLure et al. ( 2013 ); McLeod et al. ( 2016 ); Bouwens et al. ( 2021 ); Oesch et al. ( 2018 ) . The best-fitting Schechter functions from McLure et al. ( 2013 ) and McLeod et al. ( 2016 )