[논문 리뷰] A Steep Decline in the Galaxy Space Density Beyond Redshift 9 in the CANUCS UV Luminosity Function

Chris J. Willott, G. Desprez외 16명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 20.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 CANUCS 영역의 다섯 개의 고적색도 시선에 대한 깊은 JWST NIRCam 설문 조사 결과를 제시하며, z > 7.5에서 158개의 은하를 신뢰할 수 있는 광학적 적색편이를 갖추고 있음을 밝혀냈다. 이는 z ≈ 10를 초과할 경우 은하의 공간 밀도가 급격히 감소함을 보여주며, z > 10에서는 여덟 개의 은하만, z > 12.5에서는 아무 은하도 발견되지 않았다. 이는 초기 은하 밀도의 천체적 시선에 따른 본질적 변동성을 시사하며, 특수 조정 없이도 표준 초기 은하 형성 모델을 지지한다.

ABSTRACT

We present a new sample of 158 galaxies at redshift $z>7.5$ selected from deep \jwst\ NIRCam imaging of five widely-separated sightlines in the CANUCS survey. Two-thirds of the pointings and 80\% of the galaxies are covered by 12 to 14 NIRCam filters, including seven to nine medium bands, providing accurate photometric redshifts and robustness against low redshift interlopers. A sample of 28 galaxies at $z>7.5$ with spectroscopic redshifts shows a low systematic offset and scatter in the difference between photometric and spectroscopic redshifts. We derive the galaxy UV luminosity function at redshifts 8 to 12, finding a slightly higher normalization than previously seen with \hst\ at redshifts 8 to 10. We observe a steeper decline in the galaxy space density from $z=8$ to $12$ than found by most \jwst\ Cycle 1 studies. In particular, we find only eight galaxies at $z>10$ and none at $z>12.5$, with no $z>10$ galaxies brighter than F277W AB=28 or $M_{ m UV}=-20$ in our unmasked, delensed survey area of 53.4 square arcminutes. We attribute the lack of bright $z>10$ galaxies in CANUCS compared to GLASS and CEERS to intrinsic variance in the galaxy density along different sightlines. The evolution in the CANUCS luminosity function between $z=8$ and $12$ is comparable to that predicted by simulations that assume a standard star formation efficiency, without invoking any special adjustments.

연구 동기 및 목표

• JWST NIRCam 이미징을 통해 z = 8–12 범위의 고적색도 은하의 UV 등급 함수를 측정하기 위해 깊은 설문 조사 수행.
• 다중 필터 광학 측정과 분광학적 검증을 통해 z > 7.5 은하의 광학적 적색편이 신뢰도 평가.
• 다른 JWST 설문 조사와의 비교를 통해 다양한 시선에 따른 초기 은하 밀도의 천체적 변동성 조사.
• z ≈ 10를 초과할 경우 관측된 은하 공간 밀도 감소가 표준 천체론 시뮬레이션과 일치하는지 평가.
• 중력 렌즈 효과와 설문 조사 깊이가 희미한 고적색도 은하 탐지에 미치는 영향 평가.

제안 방법

• CANUCS 설문 조사의 다섯 개의 넓게 분리된 시선에서 12–14개 필터(중간 대역 포함)를 사용한 깊은 NIRCam 이미징을 53.4 제곱초각 영역에서 수행.
• 각 은하에 대해 최대우도와 중앙확률분포 추정치를 사용하여 EAZY-py 코드를 통해 광학적 적색편이를 유도.
• NIRSpec에서의 분광학적 적색편이를 사용하여 광학적 적색편이 정확도를 검증하였으며, 낮은 산란과 체계적 편향을 보였다.
• 중력 렌즈 증폭 보정을 적용한 158개의 z > 7.5 은하 전체 샘플을 사용하여 UV 등급 함수를 구성.
• 세 개의 적색편이 구간에 걸쳐 NIRCam 이미지의 중앙 스택을 수행하여 적색편이 할당을 확인하고 라이만 브레이크 특징을 탐지.
• GLASS, CEERS 등 다른 JWST 설문 조사와의 비교를 통해 z > 10에서의 은하 밀도 천체적 변동성 평가.

Figure 1: NIRSpec prism spectra for the six CANUCS galaxies in the sample used for the luminosity function in this paper. Each upper panel shows the nodded, background-subtracted two-dimensional spectrum on an inverse scale, so positive flux appears dark in the central region and light in the two of

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JWST에 의해 측정된 z = 8에서 12 사이의 은하에 대한 UV 등급 함수의 형태는 어떠한가?
• RQ2 은하 공간 밀도는 z = 8에서 z = 12로 변화하면서 어떻게 변화하며, 이전에 보고된 것보다 더 급격한 감소를 보이는가?
• RQ3 깊은 이미징에도 불구하고 CANUCS에서 z > 10에서 밝은 은하(F277W AB < 28 또는 M_UV < -20)가 탐지되지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ4 관측된 z > 10에서 낮은 은하 밀도가 천체적 변동성 때문인지, 아니면 본질적인 물리적 과정 때문인지 어느 정도의 영향을 받는가?
• RQ5 z = 8에서 z = 12로의 등급 함수 변화가 일반적인 별 형성 효율을 가정한 표준 천체론 시뮬레이션과 일치하는가?

주요 결과

• z = 8–12에서의 UV 등급 함수는 z = 8–10에서 이전 허블 기반 추정치보다 약간 높은 정규화를 보였다.
• 대부분의 다른 JWST 사이클 1 연구와 비교할 때, z = 8에서 z = 12로 갈수록 은하 공간 밀도 감소가 더 급격히 나타났다.
• 마스크 해제 및 렌즈 해제된 53.4 제곱초각 설문 조사 영역에서 z > 10에서는 여덟 개의 은하만 탐지되었고, z > 12.5에서는 아무 은하도 발견되지 않았다.
• z > 10에서 F277W AB = 28 또는 M_UV = -20보다 밝은 은하가 전혀 발견되지 않아, 등급 함수의 밝은 끝부분에서 급격한 감소를 나타낸다.
• GLASS 및 CEERS와 비교할 때 CANUCS에서 z > 10의 밝은 은하가 부족한 것은 다양한 시선 간의 본질적 천체적 변동성 때문으로 기인된다.
• z = 8에서 z = 12로의 등급 함수 변화는 특수 조정 없이도 일반적인 별 형성 효율을 가정한 시뮬레이션과 일치한다.

Figure 2: NIRSpec spectroscopic redshifts for 28 CANUCS galaxies with expected photometric redshifts $z_{\rm phot\_ML}\raisebox{-2.58334pt}{$\,\stackrel{{\scriptstyle\raisebox{-0.60275pt}{$\textstyle>$}}}{{\sim}}\,$}7.5$ . Only 6 of the 28 galaxies (blue symbols) are from the NCF or CLU NIRCam modul