[论文解读] A JWST investigation into the bar fraction at redshifts 1 < z < 3

Zoe A Le Conte, Dimitri A. Gadotti+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用 5

一句话总结

本研究利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的深近红外成像，测量了红移 1 ≤ z ≤ 3 范围内盘状星系的棒状结构分数，发现其从 z ≤ 2 时的约 19% 显著下降至 z > 2 时的约 7%。结果表明，棒驱动演化早在 110 亿年前便已开始，且由于在棒中对演化恒星种群的余晖近红外响应更灵敏，JWST 的棒检测率比哈勃空间望远镜（HST）高出 3–4 倍。

ABSTRACT

The presence of a stellar bar in a disc galaxy indicates that the galaxy hosts in its main part a dynamically settled disc and that bar-driven processes are taking place in shaping its evolution. Studying the cosmic evolution of the bar fraction in disc galaxies is therefore essential to understand galaxy evolution in general. Previous studies have found, using the Hubble Space Telescope (HST), that the bar fraction significantly declines from the local Universe to redshifts near one. Using the first four pointings from the James Webb Space Telescope (JWST) Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS) and the initial public observations for the Public Release Imaging for Extragalactic Research (PRIMER), we extend the studies of the bar fraction in disc galaxies to redshifts $1 \leq z \leq 3$, i.e., for the first time beyond redshift two. We only use galaxies that are also present in the Cosmic Assembly Near-IR Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) on the Extended Groth Strip (EGS) and Ultra Deep Survey (UDS) HST observations. An optimised sample of 368 close-to-face-on galaxies is visually classified to find the fraction of bars in disc galaxies in two redshift bins: $1 \leq z \leq 2$ and $2 < z \leq 3$. The bar fraction decreases from $\approx 17.8^{+ 5.1}_{- 4.8}$ per cent to $\approx 13.8^{+ 6.5}_{- 5.8}$ per cent (from the lower to the higher redshift bin), but is about twice the bar fraction found using bluer HST filters. Our results show that bar-driven evolution might commence at early cosmic times and that dynamically settled discs are already present at a lookback time of $\sim 11$ Gyrs.

研究动机与目标

• 测量红移 1 ≤ z ≤ 3 范围内盘状星系棒状结构分数的宇宙演化，拓展此前仅覆盖至 z ≈ 1 的哈勃空间望远镜（HST）研究范围。
• 探究棒驱动过程（塑造星系演化的关键机制）是否已在早期宇宙中活跃，通过识别高红移盘状星系中的棒状结构来验证。
• 比较 HST（F160W，余晖光学波段）与 JWST（F444W，余晖近红外波段）在棒检测效率上的差异，评估观测波长对棒可见性的影响。
• 建立一个经过人工分类的、面向正面的盘状星系可靠样本，结合可靠的光度红移测量，以最小化投影效应和倾角偏差。
• 确定在回溯时间超过 110 亿年时，动力学稳定盘状星系与棒状结构是否已存在，从而揭示大质量星系中早期结构演化。

提出的方法

• 从 JWST 的 CEERS 和 PRIMER 巡天中选取与 HST CANDELS（EGS 和 UDS 天区）重叠的星系，确保多波段覆盖的一致性。
• 应用倾角筛选（i ≤ 60°），排除侧向星系，以减少棒形态识别中的歧义。
• 使用 JWST NIRCam 最长波段滤光片（F444W）追踪余晖近红外辐射，以最大化对棒中演化恒星种群的敏感度。
• 由五位共同作者对 768 个优化后的正面盘状星系进行人工分类，利用等高线椭圆度与位置角分布图识别棒状结构。
• 将 JWST F444W 的棒分数与同一母样本中 HST F160W 的棒分数进行比较，量化波长依赖的检测偏差。
• 在两个红移区间（1 ≤ z ≤ 2 和 2 < z ≤ 3）内计算棒分数，采用稳健的光度红移测量并传播误差。

Figure 1: Elliptical isophotal fits using the module photutils.isophote from Python’s astropy package (Bradley et al., 2022 ) to logarithmic F444W NIRCam images of the galaxy EGS_23205 at redshift $z\sim 2.12$ . The left-hand side shows the F444W image annotated with the pixel coordinates (top) and

实验结果

研究问题

• RQ1 利用 JWST 的余晖近红外成像，高红移星系中盘状星系的棒分数是多少？
• RQ2 从 z ≤ 2 到 z > 2，棒分数如何演化？其变化是持续下降，还是在宇宙早期趋于平台？
• RQ3 与余晖光学波段（HST F160W）相比，观测于余晖近红外波段（JWST F444W）在棒检测方面提升了多少？
• RQ4 基于在高红移星系中最早检测到棒状结构的时间，棒驱动星系演化可能始于何时？
• RQ5 在 z > 2 时，是否已存在动力学稳定且具有强棒的盘状星系，表明大质量星系中存在早期结构演化？

主要发现

• 在 1 ≤ z ≤ 2 时，盘状星系的棒分数约为 ~18.9⁺⁹.⁷₋₉.⁴%，在 2 < z ≤ 3 时下降至 ~6.6⁺⁷.¹₋₅.⁹%，表明棒分数随红移增加而显著下降。
• JWST F444W 在相同红移区间内检测到的棒分数约为 HST F160W 的 3–4 倍，证明余晖近红外成像在棒检测方面具有显著优势。
• 本研究在 z ≈ 2.3 和 z ≈ 2.8 处检测到棒状星系，确认棒结构存在于回溯时间超过 110 亿年时，表明棒驱动演化在早期宇宙即已启动。
• 优化样本中盘状星系的分数为 f_D ≈ 0.40 ± 0.14，表明样本中仅约 40% 的星系为盘状，这对棒分数结果的解释至关重要。
• 结果表明，气体内流与角动量再分布等棒驱动过程，已在 z > 2 的大质量、动力学稳定盘状星系中活跃。
• 本研究证实，棒中演化恒星种群的最佳追踪波段为余晖近红外波段，且以往基于 HST 的研究可能因灵敏度与波段限制而低估了真实的棒分数。

Figure 2: Rest-frame NIR logarithmic images of three disc (top row) and non-disc (bottom row) galaxies. The three exemplars for each classification, with IDs in the lower right of the NIRCam F444W image, are shown in the JWST NIRCam F444W (left) and HST WFC3 F160W (right).