[논문 리뷰] Constraining the physical properties of the first lensed $z\sim10-16$ galaxy candidates with JWST

Lukas J. Furtak, Marko Shuntov외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 10.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 JWST 근적외선 광도 및 BEAGLE 도구를 사용한 SED 피팅을 통해 SMACS J0723.3-7327의 중력 렌즈 효과를 받은 10개의 $z\sim9$--$16$은하 후보의 물리적 성질을 제약한다. 그 결과, 낮은 별질량 ($M_\star\sim10^7$--$10^8\,M_\odot$), 젊은 연령 ($t_{\rm age}\sim10$--$100$ Myr), 극히 낮은-dust 감쇠 ($A_V\lesssim0.02$), 매우 파란 UV 기울기 ($\beta\sim-3$)를 보이며, 이는 지속적인 강력한 별 형성과 $M_\star$--$M_{\rm UV}$--기울기 또는 sSFR 관계에서의 유의미한 적색편이 진화 없음을 시사한다.

ABSTRACT

The first deep-field observations of the JWST have immediately yielded a surprisingly large number of very high redshift candidates, pushing the frontier of observability well beyond $z\gtrsim10$. We here present a detailed SED-fitting analysis of the 15 gravitationally lensed $z\sim10-16$ galaxy candidates detected behind the galaxy cluster SMACS J0723.3-7327 in Atek et al. (2022) using the BEAGLE tool. Our analysis makes use of dynamical considerations to place limits on the ages of these galaxies and of all three published SL models of the cluster to account for lensing systematics. We find these galaxies to have relatively low stellar masses $M_{\star}\sim10^7-10^8\,\mathrm{M}_{\odot}$ and young ages $t_{\mathrm{age}}\sim10-100$\,Myr. Due to their very blue UV-slopes, down to $β\sim-3$, all of the galaxies in our sample have extremely low dust attenuations $A_V\lesssim0.02$. Placing the measured parameters into relation, we find a very shallow $M_{\star}-M_{\mathrm{UV}}$-slope and high sSFRs above the main sequence of star-formation with no significant redshift-evolution in either relation. This is in agreement with the bright UV luminosities measured for these objects and indicates that we are naturally selecting galaxies that are currently undergoing a star-bursting episode at the time they are observed. Finally, we discuss the robustness of our high-redshift galaxy sample regarding low-redshift interlopers and conclude that low-redshift solutions can safely be ruled out for roughly half of the sample, including the highest-redshift galaxies at $z\sim12-16$. These objects represent compelling targets for spectroscopic follow-up observations with JWST and ALMA.

연구 동기 및 목표

• JWST 초기 깊은 영역에서 관측된 최초의 고적색편이 은하 후보들의 물리적 성질을 강력하게 제약하는 것.
• 다양한 강력한 렌즈 모델과 역동적 연령 제약을 통합하여 광도 적색편이 및 SED 피팅의 매개변수의 혼동을 해결하는 것.
• 광학적 서명을 이용해 저적색편이 오염자에 대한 고적색편이 솔루션의 강건성을 평가하는 것.
• $z\gtrsim10$에서의 별 형성 역사 및 은하 형성 모델에 대한 관측된 성질의 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• SMACS J0723.3-7327의 10개의 렌즈 효과를 받은 $z\sim9$--$16$ 후보에 대해 ERO 및 ERS 프로그램의 JWST 광도를 바탕으로 BEAGLE 코드를 사용해 SED 피팅을 수행하였다.
• 확대 및 소스 평면 재구성의 체계적 오차를 고려하기 위해 세 개의 독립된 강력한 렌즈 모델을 통합하였다.
• 은하의 최소 연령을 제약하기 위해 역학적 고려 사항을 적용하여 초기 宇宙 시간과의 물리적 일관성을 확보하였다.
• UV 연속기울기 ($\beta$)와 발머-브레이크 검출을 강력한 고적색편이 지표로 사용하여 저적색편이 오염자 위험을 최소화하였다.
• 관측된 $M_\star$--$M_{\rm UV}$--기울기 관계와 sSFR 관계를 주성단 별 형성의 주요 시퀀스와 비교하여 진화 경향을 평가하였다.
• 이론적 헬로 질량 함수와 비교하여 $z\sim16$ 은하의 수밀도를 평가하여 별 형성 효율($\epsilon_{\rm SF}$)을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JWST에 의해 최초로 관측된 렌즈 효과를 받은 $z\sim9$--$16$ 은하 후보들의 별질량, 연령, 먼지 함량, 별 형성률은 무엇인가?
• RQ2 저적색편이 오염자 시나리오에 대해 고적색편이 광도 솔루션은 얼마나 강건한가?
• RQ3 관측된 UV 기울기와 발머-브레이크 검출은 이 은하들의 고적색편이 성격을 얼마나 잘 지지하는가?
• RQ4 $z\sim9$--$16$ 범위에서 $M_\star$--$M_{\rm UV}$--기울기 또는 sSFR 관계에 유의미한 진화가 있는가?
• RQ5 $z\sim16$ 은하의 관측된 수밀도를 설명하기 위해 필요한 별 형성 효율은 얼마인가?

주요 결과

• 10개의 렌즈 효과를 받은 $z\sim9$--$16$ 은하 후보의 대부분은 $M_\star\sim10^7$--$10^8\,M_\odot$의 낮은 별질량과 $t_{\rm age}\sim10$--$100$ Myr의 젊은 연령을 가진다.
• 모든 은하는 매우 파란 UV 기울기를 보이며, $\beta\sim-3$로, 이는 극히 낮은 먼지 감쇠 ($A_V\lesssim0.02$)를 시사한다.
• 몇몇 후보는 $z\sim9$--$10$에서 발머-브레이크 검출로 인해 더 높은 별질량 ($M_\star\sim10^9$--$10^{10}\,M_\odot$)을 보이며, 더 진화된 인구를 시사한다.
• $M_\star$--$M_{\rm UV}$--기울기 관계는 매우 얕고 sSFR은 높아 주성단 별 형성의 주요 시퀀스를 초월하며, 적색편이 진화가 유의미하게 없다.
• 샘플의 절반, 특히 $z_{\rm phot}\simeq15.93$인 가장 고적색편이 후보인 SMACS_z16a를 포함해, 매우 파란 UV 기울기 ($\beta\lesssim-2.5$) 또는 발머-브레이크 검출 덕분에 고적색편이로 강력하게 확인되었다.
• 유도된 $z\sim16$ 은하의 수밀도는 별 형성 효율이 높을 경우에만 이론적 기대와 일치한다 ($\epsilon_{\rm SF}\sim0.15$), 이는 낮은 적색편이에서보다 높은 수준이다.