[논문 리뷰] The JWST EXCELS survey: Too much, too young, too fast? Ultra-massive quiescent galaxies at 3 < z < 5

Adam C. Carnall, Fergus Cullen외 22명|arXiv (Cornell University)|2024. 05. 03.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 JWST EXCELS 설문조사를 소개하고 3 < z < 5에서 네 개의 초대질량 비활성 은하의 깊은 NIRSpec 분광 관측을 제시하며, 그들의 항성 형성 이력(SFH)을 분석하고 Lambda-CDM과의 호환성을 평가한다.

ABSTRACT

We report ultra-deep, medium-resolution spectroscopic observations for 4 quiescent galaxies with log$_{10}(M_*/\mathrm{M_\odot})&gt;11$ at $3 &lt; z &lt; 5$. These data were obtained with JWST NIRSpec as part of the Early eXtragalactic Continuum and Emission Line Science (EXCELS) survey, which we introduce in this work. The first two galaxies are newly selected from PRIMER UDS imaging, both at $z=4.62$ and separated by $860$ pkpc on the sky, within a larger structure for which we confirm several other members. Both formed at $z\simeq8-10$. These systems could plausibly merge by the present day to produce a local massive elliptical galaxy. The other two ultra-massive quiescent galaxies are previously known at $z=3.99$ and $3.19$, with the latter (ZF-UDS-7329) having been the subject of debate as potentially too old and too massive to be accommodated by the $Λ$-CDM halo-mass function. Both exhibit high stellar metallicities, and for ZF-UDS-7329 we are able to measure the $α-$enhancement, obtaining [Mg/Fe] = $0.42^{+0.19}_{-0.17}$. We finally evaluate whether these 4 galaxies are consistent with the $Λ$-CDM halo-mass function using an extreme value statistics approach. We find that the $z=4.62$ objects and the $z=3.19$ object are unlikely within our area under the assumption of standard stellar fractions ($f_*\simeq0.1-0.2$). However, these objects roughly align with the most massive galaxies expected under the assumption of 100 per cent conversion of baryons to stars ($f_*$=1). Our results suggest extreme galaxy formation physics during the first billion years, but no conflict with $Λ$-CDM cosmology.

연구 동기 및 목표

• 3 < z < 5에서 고신호 대 잡음비, 중간 해상도 분광학을 위한 EXCELS 설문의 설계와 관측 전략을 소개한다.
• 네 가지의 초대질량 비활성 은하(M* > 10^11 Msun)를 제시하고, 전체 스펙트럼 적합으로 항성 연령, 금속 함량, 그리고 SFHs를 도출한다.
• 관찰 은하들이 표준의 별-바리온 전환 효율을 이용한 Lambda-CDM 하일로 질량 분포와 극값 통계로 일치하는지 평가한다.
• 첫 번째 십억 년 내의 초기 은하 형성 물리와 억제 메커니즘에 대한 시사점을 논한다.

제안 방법

• 네 곳의 포인팅을 포함하는 세 가지 그레이팅(G140M, G235M, G395M)에서 R ~ 1000으로 1-5 마이크로미온 범위를 커버하는 능숙한 JWST NIRSpec 관측.
• 3 < z < 5에서 고질량 비활성 후보를 식별하기 위한 PRIMER UDS 이미징 및 VANDELS 기반 카탈로그의 광측정 전 선택(로그 M*/Msun > 11).
• Bagpipes를 사용한 이중-전력법 SFH, BC03/MILES 모델, Cloudy-발광선을 이용한 전체 스펙트럼 적합으로 연령, 금속 함량, sSFR를 도출.
• 먼지 감쇠, IGM 감쇠 및 적합한 붉은 시차와 sSFR를 위한 2D 결합 사후분포 분석을 포함하여 견고한 비활성 샘플을 선택.
• 표준 바리온 전환 효율성 하에서 관찰된 극대 질량 시스템이 허용되는지 평가하기 위해 극값 통계를 통한 Lambda-CDM과의 비교

Figure 1: Spectral energy distributions (SEDs) for the 4 most massive $z>3$ quiescent galaxy candidates selected from our PRIMER catalogue by the process described in Section 3.2.1 . These are the only 4 candidates at $z>3$ that have inferred stellar masses, log ${}_{10}(M_{*}/\mathrm{M_{\odot}})>11

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JWST EXCELS 스펙트럼이 드러낸 3 < z < 5의 초대질량 비활성 은하의 항성 연령, 금속 함량, SFH는 무엇인가?
• RQ2 관찰된 초대질량 비활성 은하들이 표준의 별-바리온 전환 효율에서 Lambda-CDM 하일로 질량 함수와 일치하는가?
• RQ3 감지된 네 개의 z > 3 비활성 은하가 초기 우주에서 다양한 형성 경로를 보이는가, 아니면 유사한 억제 기전을 보이는가?
• RQ4 높은 금속함량과 알파-향상(측정된 경우)이 초기 대 질량 은하에서 항성 형성 시퀀스와 AGN 피드백에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• 네 개의 초대질량 비활성 은하(M* > 10^11 Msun)가 3 < z < 5에서 분광학적으로 확인되었으며, 그 중 z = 4.62에서 새로 발견된 한 쌍이 포함된다.
• z = 4.62 은하 두 개가 더 큰 구조 안에서 근접한 위치에 있으며 (860 pkpc) 서로 다른 항성 금속함량을 보여 다양한 형성 경로를 시사한다.
• z = 3.99 PSB와 z = 3.19 은하(ZF-UDS-7329)가 높은 금속함량을 보여주며, ZF-UDS-7329의 [Mg/Fe] = 0.42 +0.19/-0.17이다.
• 극값 통계에 따르면 z = 4.62 물체들과 z = 3.19 물체는 표준 f* ~ 0.1–0.2에서 가능성이 낮지만 f* = 1에서는 가능하며, 전반적으로 Lambda-CDM와 충돌하지 않는다.
• 결과는 최초의 십억 년 내에 극단적인 은하 형성 물리학이 있었음을 시사하나 Lambda-CDM 우주론과의 모순은 없다.

Figure 2: Stellar mass vs redshift distribution for the 341 out of 401 EXCELS galaxies that could be assigned secure (flag 3, 4 or 9) spectroscopic redshifts (see Section 4.2 ). Stellar masses were measured by repeating the photometric fitting analysis described in Section 3.2.1 with redshifts fixed