[논문 리뷰] The galaxy UV luminosity function at $\mathbf{z \simeq 11}$ from a suite of public JWST ERS, ERO and Cycle-1 programs

D. J. McLeod, C. T. Donnan외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 8

한 줄 요약

본 논문은 광역 JWST NIRCam 탐색(∼260 arcmin²)을 제시하여 z>9.5 은 61명의 강건한 후보를 도출하고, z≈9.5에서 12.5까지의 진화하는 UV 광도함수(LF)를 제약하며, 이중 멱함수 형태와 가파른 faint-end slope를 선호합니다.

ABSTRACT

We present a new determination of the evolving galaxy UV luminosity function (LF) over the redshift range $9.5250$ arcmin$^2$) data set of JWST NIRCam near-infrared imaging assembled from thirteen public JWST surveys. Our relatively large-area search allows us to uncover a sample of 61 robust $z>9.5$ candidates detected at $\geq 8σ$, and hence place new constraints on the intermediate-to-bright end of the UV LF. When combined with our previous JWST+UltraVISTA results, this allows us to measure the form of the LF over a luminosity range corresponding to four magnitudes ($M_{1500}$). At these early times we find that the galaxy UV LF is best described by a double power-law function, consistent with results obtained from recent ground-based and early JWST studies at similar redshifts. Our measurements provide further evidence for a relative lack of evolution at the bright-end of the UV LF at $z=9-11$, but do favour a steep faint-end slope ($α\leq-2$). The luminosity-weighted integral of our evolving UV LF provides further evidence for a gradual, smooth (exponential) decline in co-moving star-formation rate density ($ρ_{\mathrm{SFR}}$) at least out to $z\simeq12$, with our determination of $ρ_{\mathrm{SFR}}(z=11)$ lying significantly above the predictions of many theoretical models of galaxy evolution.

연구 동기 및 목표

• wide-area JWST NIRCam 데이터 세트를 사용하여 z≈9.5–12.5에서rest-frame UV 은하 광도함수(LF)의 진화를 지도화한다.
• M1500의 네 가지 등급에서 UV LF의 밝은 끝에서 중간 끝까지를 측정하고 그 함수적 형태를 평가한다.
• 새로운 광역 결과를 이전 JWST+UltraVISTA 제약과 결합하여 z≈12까지의 ρ_SFR의 진화를 도출한다.
• z>9.5 은하의 밝은 축의 풍부함을 평가하고 초기 우주 진화 모델과 비교한다.

제안 방법

• 잠재적으로 클러스터/렌징을 마스킹한 후 약 260 arcmin²에 이르는 ~13개 공개 조사를 아우르는 다중 설문 JWST NIRCam 카탈로그를 구성한다.
• PSF 동질화 및 0.35″ 직경의 천층 광도 측정을 FLUX_AUTO를 사용하여 총 광도로 보정하고 Kron 원 aperture 밖의 10% 추가 광을 보정한다.
• BC03 템플릿, Chabrier IMF, Calzetti 먼지 법칙, Madau IGM 감쇠를 사용한 SED 피팅에 LePhare를 이용해 photometric redshift와 M1500을 도출한다.
• zphot≥8.5, primary/secondary 해의 Δχ²≥4, 적어도 하나의 주요 밴드에서 ≥8σ 검출, Lyman break 이전 밴드에서 비검출을 만족하는 robust z>9.5 선별을 적용한다.
• cluster 필드(예: SMACS 0723)에서 렌딩 및 유효 설문 면적을 고려하고, 간정된 면적과 확대를 도출하기 위해 발표된 렌딩 모델을 사용한다.

Figure 1: An illustration of the distribution of F200W $8\sigma$ global depths across the various surveys utilised in our search for $z\geq 9.5$ galaxies. These depths have been calculated in $0.35^{\prime\prime}-$ diameter apertures and corrected to total assuming a point-source correction, followi

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z≈9.5–12.5의 네 가지 광도 범위에 걸친 UV 광도함수의 형태는 어떤가요?
• RQ2 이 붕주에서 밝은 끝에서 Schechter 함수보다 이중 멱함수가 UV LF의 양상에 우세한가요?
• RQ3 z≈12까지의 광도 밀도 및 암시된 별 형성률 밀도(ρ_SFR)의 진化은 어떠한가요?
• RQ4 z>9.5에서 JWST로 도출된 LF 측정이 초기 은하 진화의 기존 이론 모델과 어떻게 비교되나요?

주요 결과

• z≈9.5–12.5의 UV 광도함수는 이중 멱함수로 가장 잘描述되며, 최근의 지상 기반 및 초기 JWST 연구와 일치한다.
• 9–11에서 UV LF의 밝은 끝에서 상대적으로 진화가 적다는 증거가 있다.
• 가벼운 끝의 경사는 가파르며(α ≤ −2), 결합된 데이터에 의해 확인된다.
• 진화하는 UV LF의 광도 가중 적분은 z≈12까지 공동공간의 별 형성률 밀도(ρ_SFR)의 점진적 지수적 감소를 나타낸다.
• 도출된 ρ_SFR(z=11)은 많은 이론 모델 예측을 크게 상회하는 것으로, 초기 우주에서의 더 높은 별 형성 활동을 시사한다.

Figure 2: The left-hand panel shows the distribution of apparent F200W magnitude (measured in a 0.35 ${}^{\prime\prime}-$ diameter aperture) with photometric redshift for our selected sample of high-redshift candidates. The right-hand panel shows the corresponding de-lensed rest-frame $M_{1500}$ mag