[논문 리뷰] The NEWFIRM HETDEX Survey: Photometric Catalog and a Conservative Sample of Massive Quiescent Galaxies at z=3-5 over 17.5 deg^2 in the SHELA Field

Matthew L. Stevans, Steven L. Finkelstein외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 26.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 SHELA 영역에서 17.5 deg²를 커버하는 깊은 Ks-대역 이미징 조사인 NEWFIRM HETDEX 조사의 결과를 제시한다. 다중 파장 데이터를 융합하여 z=3–5에서 M∗ > 10¹¹ M⊙인 거대한 휴면은하의 보수적인 샘플 9개를 특정하였다. 광학적 적색편이와 SED 피팅을 통해 이러한 은하들이 현재의 시뮬레이션에서 매우 희귀한 것으로 나타나, 모델의 억제 메커니즘이 고적색편이에서 너무 느리거나 효과적이지 않다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We present the results of a deep K_s-band (2.1 um) imaging survey of the Spitzer/HETDEX Exploratory Large Area (SHELA) field using the NEWFIRM near-infrared (NIR) camera on the KPNO Mayall 4-m telescope. This NEWFIRM HETDEX Survey (NHS) reaches a 5-sigma depth of 22.4 AB mag (2"-diameter apertures corrected to total), is ~50% and 90% complete at K~22.65 and K~22.15, respectively, and covers 22 deg^2 of the 24 deg^2 SHELA Spitzer/ IRAC footprint (within ``Stripe 82' of the Sloan Digital Sky Survey). We present a K_s-band-selected catalog which includes deep ugriz imaging from the Dark Energy Camera and 3.6 and 4.5 um imaging from Spitzer/IRAC, with forced-photometry of 1.7 million sources across 17.5 deg^2. The large area and moderate depth of this catalog enables the study of the most massive galaxies at high redshift, and minimizes uncertainties associated with counting statistics and cosmic variance. As a demonstration, we derive stellar masses (M*) and star-formation rates (SFRs) for candidate galaxies at 3 < z < 5, and select a conservative sample of nine candidate massive (M* > 10^11 Msol) quiescent galaxies, which have measured SFRs significantly below the main-sequence at this redshift. Five are ultra-massive with M* > 10^12, though uncertainties in IRAC blending, gravitational lensing, or AGN emission could result in true masses which are lower. Simulations predict that these galaxies should be extremely rare, thus we discuss what physical processes in models could be altered to allow the formation of such massive quiescent galaxies at such early times.

연구 동기 및 목표

• 깊은 적외선 영역 이미징을 통해 통계적으로 신뢰할 수 있고 광역의 거대 고적색편이 은하 목록을 구축하기 위해.
• 먼지가 많은 또는 낮은 적색편이의 오염자들로부터 최소한의 오염을 받는, z=3–5에서 거대한 휴면은하를 식별하고 특성화하기 위해.
• 현재의 은하 형성 시뮬레이션 모델이 초기 우주 시점에서 관측된 거대한 휴면은하의 수밀도를 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 특히 AGN 피드백이 초기 거대 은하 진화에서 억제 메커니즘으로 작용하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 고품질의 JWST 및 ALMA 후속 관측을 위한 기초를 마련하기 위해, 고위험 대상들을 식별하기 위해.

제안 방법

• Mayall 4m 망원경에 장착된 NEWFIRM를 사용해 깊은 Ks-대역 이미징(2.1 μm)을 수행하여 17.5 deg² 영역에서 5σ 감도가 22.4 AB mag에 도달하였다.
• DECam의 기존 ugriz 이미징과 Spitzer/IRAC의 3.6/4.5 μm 데이터를 융합하여, 170만 개 이상의 천체에 대해 강제 광도 측정을 수행하였다.
• eazy-py를 사용해 SED 피팅을 수행하여 z=3–5에서의 광학적 적색편이, 항성 질량, 복사역색을 유도하였다.
• 휴면 상태를 정의하기 위해 sSFR 임계값(log sSFR/yr⁻¹ < -10.05)을 사용하였으며, 이는 z=4의 메인 시퀀스보다 3σ 낮은 수준으로, 오염을 최소화하였다.
• 결과를 검증하기 위해 UVJ 다이어그램을 사용하고, Santa Cruz 반분석적 및 Simba 유체역학 시뮬레이션의 예측과 비교하였다.
• 혼합 및 렌즈 효과를 고려하여, 휴면 샘플의 완전성과 신뢰도를 평가하기 위해 시뮬레이션을 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 넓은 영역에 걸친 깊은 조사에서 z=3–5에서 M∗ > 10¹¹ M⊙인 거대한 휴면은하는 얼마나 흔한가?
• RQ2 현재의 천체역학 시뮬레이션은 고적색편이에서 이러한 은하의 관측된 수밀도를 정확히 재현하는가?
• RQ3 특히 AGN 피드백을 포함한 물리적 과정은 z>4에서 거대 은하의 빠른 억제를 설명하기 위해 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 기존의 UVJ 기준으로 선택된 은하들과 비교해보면, 이러한 고적색편이 휴면은하의 특성은 어떻게 다를까?
• RQ5 광학적 조사에서 주요 오염원은 무엇이며, 이를 보다 견고한 휴면은하 식별을 위해 어떻게 줄일 수 있는가?

주요 결과

• Ks 대역에서 5σ 감도가 22.4 AB mag에 도달하였으며, 17.5 deg² 영역에서 Ks ≈ 22.15 mag에서 90% 완전성 확보를 달성하였다.
• z=3–5에서 M∗ > 10¹¹ M⊙인 거대한 휴면은하 9개의 보수적인 샘플이 식별되었으며, 그 중 다섯 개는 초거대한 질량(M∗ > 10¹² M⊙)을 가졌다.
• 이 은하들은 Santa Cruz 반분석적 및 Simba 유체역학 시뮬레이션에서 예측한 것보다 훨씬 더 거대하고 희귀하여, z>4에서의 수밀도를 크게 낮게 예측하고 있다.
• sSFR 기반의 휴면 기준은 일반적으로 UVJ 컷으로는 포착되지 않는 UVJ 공간의 영역에서 은하를 선택하여, 빠르게 억제된 거대 은하의 잠재적인 무시된 집단이 존재할 수 있음을 시사한다.
• 결과는 현재의 모델가 초기 우주의 효율성이나 억제 메커니즘의 시기, 특히 AGN 피드백의 효율성을 과소평가하고 있을 가능성이 있음을 시사한다.
• 이 연구는 깊은 ALMA 및 JWST 관측이 휴면 상태를 확인하고, 먼지가 많은 성간은하나 렌즈 효과를 받은 시스템 등으로 인한 오염을 배제하기 위해 필수적임을 강조한다.