[论文解读] Are the ultra-high-redshift galaxies at z > 10 surprising in the context of standard galaxy formation models?

L. Y. Aaron Yung, Rachel S. Somerville+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 175被引用 16

一句话总结

该论文使用 Santa Cruz 半解析模型与 GUREFT N-body 合并树来预测超高红移星系族群，并将 rest-frame UV 光度函数与恒星质量函数与 JWST 观测进行比较，发现存在显著矛盾，但可通过适度的 UV 光度提升或随机性来调和。

ABSTRACT

A substantial number of ultra-high redshift (8 < z < 17) galaxy candidates have been detected with JWST, posing the question: are these observational results surprising in the context of current galaxy formation models? We address this question using the well-established Santa Cruz semi-analytic models, implemented within merger trees from the new suite of cosmological N-body simulations GUREFT, which were carefully designed for ultra-high redshift studies. Using our fiducial models calibrated at z=0, we present predictions for stellar mass functions, rest-frame UV luminosity functions, and various scaling relations. We find that our (dust-free) models predict galaxy number densities at z~11 (z~13) that are an order of magnitude (a factor of ~30) lower than the observational estimates. We estimate the uncertainty in the observed number densities due to cosmic variance, and find that it leads to a fractional error of ~20-30% at z=11 (~30-80% at z=14) for a 100 sq arcmin field. We explore which processes in our models are most likely to be rate-limiting for the formation of luminous galaxies at these early epochs, considering the halo formation rate, gas cooling, star formation, and stellar feedback, and conclude that it is mainly efficient stellar-driven winds. We find that a modest boost of a factor of ~4 to the UV luminosities, which could arise from a top-heavy stellar initial mass function, would bring our current models into agreement with the observations. Adding a stochastic component to the UV luminosity can also reconcile our results with the observations.

研究动机与目标

• 评估当前的 ultra-high-redshift 星系候选对象是否与标准星系形成模型兼容。
• 使用更新的 N-body 合并树预测 z~8–17 的 rest-frame UV 光度函数与恒星质量函数。
• 量化观测不确定性（宇宙方差、光度/红shift 错误）和模型不确定性。
• 探讨早期星系形成中的物理瓶颈，以及 UV 光度提升或随机性对与观测结果调和的影响。

提出的方法

• 将 Santa Cruz 星系形成半解析模型（SAM）与 GUREFT N-body 合并树整合使用，延伸至 z~6–20。
• 使用无尘埃、来自将 SFH 和化学历史卷积后得到的 rest-frame UV 星等，结合基于 BPASS 的 SPS，预测 MUV（不包含星云发射）。
• 将预测的 UV 光度函数和恒星质量函数与 JWST 基于 CEERS、NGDEEP、COSMOS-Web 等调查的观测结果进行比较。
• 使用解析计算器和大体积模拟（Bluetides）的结果来量化宇宙方差，估计场到场的不确定性。
• 测试适度 UV 光度提升（约4倍）和带高斯散布的随机 UV 光度对将预测与观测调和的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z>10 时，Santa Cruz SAM 对 UV 光度函数和恒星质量函数的预测与 JWST 推导的观测之间有何差异？
• RQ2 在标准模型中， ultra-high redshift 形成明亮星系的主导物理瓶颈是什么？
• RQ3 适度修改 UV 光度（例如初始质量函数的变化）或恒星形成的随机性是否能够使模型与观测结果趋于一致？
• RQ4 宇宙方差和观测不确定性在解释理论与数据之间张力中扮演何种角色？

主要发现

• 在 z~11 时预测的星系数密度比观测估计低一个数量级；在 z~13 时差异约为 30 倍。
• 对于 100 平方弧分的场，z=11 的分数误差约为 20–30%，z=14 时为 30–80%，凸显场到场的不确定性较大。
• 高效的恒星驱动风被确认是 fiducial 模型中在超高红移形成明亮星系的主要增长阻碍。
• 适度的 UV 光度提升（约4倍，例如来自高比重 IMF）将使预测与观测趋于一致；加入随机 UV 分量也能调和结果。
• 需要带高斯散布的爆发性/恒星形成随机性，光度在 UV 方向的 sigma 约为 1.5–2 量级，以匹配 z=11–13 的观测。
• 在 fiducial 模型中忽略尘埃以最大化乐观预测，需注意尘埃衰减可能在 z~8–9 的明亮端张力上缓解。