[논문 리뷰] Two Remarkably Luminous Galaxy Candidates at $z\approx10-12$ Revealed by JWST

Rohan P. Naidu, Pascal A. Oesch외 23명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 19.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 CEERS 및 GLASS 초기 과학 프로그램의 JWST/NIRCam 이미징을 통해 적색편이 z≈10–12에서 두 개의 매우 밝은 은하 후보를 식별한다. 이 은하들인 GLASS-z10과 GLASS-z12는 강한 라이만 브레이크를 보이며, SED 모델링 결과 빅뱅 이후 약 300–400 밀리억 년 이내에 이미 약 10⁹ M☉의 별을 형성한 것으로 나타났다. 이는 기존의 자외선 광도 함수 모델에 도전하며, 초기에 매우 효율적인 별 형성이 일어났음을 시사한다.

ABSTRACT

The first few hundred Myrs at $z>10$ mark the last major uncharted epoch in the history of the Universe, where only a single galaxy (GNz11 at $z\approx11$) is currently spectroscopically confirmed. Here we present a search for luminous $z>10$ galaxies with $JWST$/NIRCam photometry spanning $\approx1-5μ$m and covering 49 arcmin$^{2}$ from the public Early Release Science programs (CEERS and GLASS). Our most secure candidates are two $M_{ m{UV}}\approx-21$ systems: GLASS-z12 and GLASS-z10. These galaxies display abrupt $\gtrsim1.8$ mag breaks in their spectral energy distributions, consistent with complete absorption of flux bluewards of Lyman-$α$ that is redshifted to $z=12.4^{+0.1}_{-0.3}$ and $z=10.4^{+0.4}_{-0.5}$. Lower redshift interlopers such as quiescent galaxies with strong Balmer breaks would be comfortably detected at $>5σ$ in multiple bands where instead we find no flux. From SED modeling we infer that these galaxies have already built up $\sim 10^9$ solar masses in stars over the $\lesssim300-400$ Myrs after the Big Bang. The brightness of these sources enable morphological constraints. Tantalizingly, GLASS-z10 shows a clearly extended exponential light profile, potentially consistent with a disk galaxy of $r_{ m{50}}\approx0.7$ kpc. These sources, if confirmed, join GNz11 in defying number density forecasts for luminous galaxies based on Schechter UV luminosity functions, which require a survey area $>10 imes$ larger than we have studied here to find such luminous sources at such high redshifts. They extend evidence from lower redshifts for little or no evolution in the bright end of the UV luminosity function into the cosmic dawn epoch, with implications for just how early these galaxies began forming. This, in turn, suggests that future deep $JWST$ observations may identify relatively bright galaxies to much earlier epochs than might have been anticipated.

연구 동기 및 목표

• CEERS 및 GLASS 초기 과학 프로그램의 깊은 JWST/NIRCam 이미징 데이터에서 적색편이 z > 10인 밝은 고적색편이 은하를 찾는 것.
• 광도 및 SED 피팅 기법을 사용하여 극도로 밝고 고적색편이 은하 후보를 식별하고 특성화하는 것.
• 이 후보들이 초기 은하 형성 시기인 갈색의 시작 시점에 거대하고 빠르게 형성되는 은하의 집단을 이룬다는지 평가하고, 현재의 은하 형성 모델에 도전하는지 확인하는 것.
• 이 감지 결과가 z > 10에서의 자외선 광도 함수 및 별 형성 효율성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 향후 JWST 관측을 위한 형태학적 및 스펙트럼적 후속 관측 가능성을 제시하는 것.

제안 방법

• CEERS 및 GLASS 영역의 49 제곱arcmin에 걸쳐 1–5 µm 범위에서 깊은 근적외선 광도를 활용.
• 적색편이 ≈10–12에서 라이만-알파 흡수와 일치하는 SED의 급격한 에너지 분포 브레이크(1.8 mag 이상)를 통해 후보를 식별.
• 적색편이, 항성 질량, 별 형성률을 추정하기 위해 Prospector 및 FSPS 모델을 사용한 SED 피팅 수행.
• 빛 분포를 모델링하기 위해 GALFIT를 활용하여 형태를 제약하고, 지수형 분포가 디스크 유사한 구조와 일치함을 확인.
• 낮은 적색편이의 오염자 후보에 대한 영향을 평가하기 위해 다수의 대역에서의 광도 비검출(>5σ 한계)을 테스트.
• 관측된 수밀도를 Schechter 및 이중 거듭제곱 법칙 자외선 광도 함수 모델과 비교하여 밝은 끝부분에서의 편차를 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적색편이 ≈10–12에서 M_UV ≈ -21인 밝은 은하가 존재하는가? 이는 고적색편이 은하 형성 모델과 일치하는가?
• RQ2 JWST 데이터에서 z ≈ 10–12에서 SED에 강한 라이만 브레이크를 안정적으로 식별할 수 있는가? 이는 적색편이 및 물리적 성질에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 이 은하들의 항성 질량과 별 형성 효율성은 무엇이며, 자외선 광도 함수 예측과 비교해 볼 때 어떻게 다를까?
• RQ4 이 은하들은 z ≈ 10–12에서 디스크 유사한 구조와 형태학적으로 일치하는가? 이는 초기 은하 형성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 이 감지 결과가 표준 Schechter 자외선 광도 함수의 밝은 끝부분에서의 편차를 어느 정도 시사하는가?

주요 결과

• 강한 >1.8 mag 라이만 브레이크를 보이는 SED를 통해 두 개의 밝은 은하 후보, GLASS-z10 (z ≈ 10.4⁺⁰.⁴₋₀.⁵)과 GLASS-z12 (z ≈ 12.4⁺⁰.¹₋₀.³)를 식별.
• 이 은하들은 절대 자외선 등급 M_UV ≈ -21이며, 빅뱅 이후 <300–400 밀리억 년 이내에 약 10⁹ M☉의 항성 질량을 형성함.
• GLASS-z10은 잘 제약된 확장된 지수형 빛 분포를 보이며, 반조절 반경 약 0.7 kpc로, z ≈ 10에서 디스크 유사한 형태를 띠고 있음.
• M_UV ≈ -21 소스의 관측된 수밀도는 log φ [Mpc⁻³ mag⁻¹] = -5.05⁺⁰.³⁷₋₀.⁴⁵이며, 이는 밝은 끝부분에서 표준 Schechter 함수와의 심각한 편차를 시사함.
• 이 후보들의 성질은 낮은 적색편이 오염자 후보와 일치하지 않으며, 다수의 대역에서 >5σ 한계로 광도 비검출을 보임.
• 이러한 발견들은 초기 은하가 예측된 것보다 더 효율적으로 별을 형성했을 가능성을 시사하며, 향후 JWST 설문조사에서 이러한 밝은 은하 후보를 더 쉽게 발견할 수 있을 것으로 예상됨.