[论文解读] Galaxy Stellar Mass Functions from z~10 to z~6 using the Deepest Spitzer/IRAC Data: No Significant Evolution in the Stellar-to-Halo Mass Ratio of Galaxies in the First Gyr of Cosmic Time

Mauro Stefanon, R. J. Bouwens+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 5被引用 8

一句话总结

本研究利用最深的Spitzer/IRAC数据，首次获得了z~10时的稳健星族质量函数（SMF），揭示了从z~10到z~6期间星族质量与晕质量比（SHMR）无显著演化。通过在比以往HST+Spitzer研究大3倍的区域上整合约200小时的IRAC成像，实现了对星等为10⁸ M☉的星系在50%的rest-frame光学波段检测率，表明在约500 Myr内星族质量密度增加了约1000倍，且SHMR与晕质量增长同步演化。

ABSTRACT

We present new stellar mass functions at $z\sim6$, $z\sim7$, $z\sim8$, $z\sim9$ and, for the first time, $z\sim10$, constructed from $\sim800$ Lyman-Break galaxies previously identified over the XDF/UDF, parallels and the five CANDELS fields. Our study is distinctive due to (1) the much deeper ($\sim200$ hour) wide-area Spitzer/IRAC imaging at $3.6μ$m and $4.5μ$m from the GOODS Re-ionization Era wide Area Treasury from Spitzer (GREATS) program and (2) consideration of $z\sim6-10$ sources over a $3 imes$ larger area than previous HST+Spitzer studies. The Spitzer/IRAC data enable $\ge2σ$ rest-frame optical detections for an unprecedented $50\%$ of galaxies down to a stellar mass limit of $\sim10^{8}\mathcal{M}_\odot$ across all redshifts. Schechter fits to our volume densities suggest a combined evolution in characteristic mass $\mathcal{M}^*$ and normalization factor $ϕ^*$ between $z\sim6$ and $z\sim8$. The stellar mass density (SMD) increases by $\sim1000 imes$ in the $\sim500$ Myr between $z\sim10$ and $z\sim6$, with indications of a steeper evolution between $z\sim10$ and $z\sim8$, similar to the previously-reported trend of the star-formation rate density. Strikingly, abundance matching to the Bolshoi-Planck simulation indicates halo mass densities evolving at approximately the same rate as the SMD between $z\sim10$ and $z\sim4$. Our results show that the stellar-to-halo mass ratios, a proxy for the star-formation efficiency, do not change significantly over the huge stellar mass build-up occurred from $z\sim10$ to $z\sim6$, indicating that the assembly of stellar mass closely mirrors the build-up in halo mass in the first $\sim1$ Gyr of cosmic history. JWST is poised to extend these results into the "first galaxy" epoch at $z\gtrsim10$.

研究动机与目标

• 利用深度Spitzer/IRAC数据首次测量z~10时的星族质量函数（SMF）。
• 通过分析比以往HST+Spitzer研究大3倍的区域，减少宇宙方差并提高统计稳健性。
• 评估从z~10到z~6星族质量与晕质量比（SHMR）的演化，检验宇宙早期第一吉年中星系形成效率。
• 约束星族质量密度（SMD）的演化，并与晕质量密度和恒星形成率密度趋势进行比较。

提出的方法

• 利用来自GREATS计划的约200小时深度Spitzer/IRAC成像（3.6 μm和4.5 μm）探测高红移星系的rest-frame光学发射。
• 通过多波段测光和SED拟合，在XDF/UDF、平行场和CANDELS区域识别出约800个Lyman-break星系。
• 采用包含完整SED信息的SED拟合方法，并结合基于UV谱指数的星族质量估计算法（在Stefanon et al. 2021年中已验证），以估算星族质量，尤其针对IRAC未检测到的源。
• 对z~6、7、8、9和10的体积校正SMF进行Schechter函数拟合，以推导M*和φ*的演化。
• 通过与Bolshoi-Planck模拟进行丰度匹配，将观测到的SMD演化与晕质量函数（HMF）演化进行比较。
• 使用红移相关的校正因子，将基于WMAP7的SHMR估计值转换为Planck宇宙学参数，以确保与现代宇宙学参数的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 z~10时星族质量函数的形态和归一化如何？与低红移相比有何差异？
• RQ2 从z~10到z~6，星族质量与晕质量比（SHMR）演化程度如何？这对星系形成效率有何启示？
• RQ3 星族质量密度从z~10到z~6如何演化？是否与暗物质晕质量增长同步？
• RQ4 宇宙方差和星族质量估算带来的系统不确定性对高红移SMF测量有何影响？

主要发现

• 首次测量了z~10时的星族质量函数，星族质量下限约为10⁸ M☉，且50%的星系在rest-frame光学波段达到≥2σ检测水平。
• 在z~10到z~6之间约500 Myr内，星族质量密度增加了约1000倍，且从z~10到z~8的增长更为陡峭。
• 星族质量与晕质量比（SHMR）从z~10到z~6无显著演化，表明在宇宙早期第一吉年中，星族质量聚集与晕质量增长高度同步。
• 与Bolshoi-Planck模拟的丰度匹配结果确认，从z~10到z~4，晕质量密度的演化速率与观测到的SMD演化几乎完全一致。
• z~6–8时的星族质量比以往估计值低约0.2–0.3 dex，而z~9时则低约0.5–1.0 dex，这可能是由于更高信噪比的IRAC数据揭示了更年轻星族和更低的M*/L比。
• 将基于WMAP7的晕质量转换为Planck宇宙学参数的校正因子，SHMR中约为0.05–0.06 dex偏低，且在SHMR中约高15%，具有红移依赖性，但在10¹⁰.⁵–10¹² M☉质量范围内质量依赖性极小。