[논문 리뷰] Identification of High-Redshift Galaxy Overdensities in GOODS-N and GOODS-S

Jakob M. Helton, Fengwu Sun외 19명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 07.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 JWST/NIRCam 이미지 및 슬릿리스 스펙트로스코피를 사용하여 GOODS-N 및 GOODS-S 영역에서 17개의 고적색도 은하 집합체를 규명하였으며, 4.9 < z_spec < 8.9 범위에서 775개의 은하를 확증하였다. 관측된 최고 적색도를 가진 원시 은하단은 ⟨z_spec⟩ = 7.955 및 8.222를 기록하여, 지금까지 발견된 가장 먼 은하단 중 하나이며, 조밀한 환경에서의 빠른 초기 은하 진화를 시사하며, z=0에 도달할 무렵 거대 은하단으로 진화할 것으로 예측된다.

ABSTRACT

We conduct a systematic search for high-redshift galaxy overdensities at $4.9 &lt; z_{\,\mathrm{spec}} &lt; 8.9$ in both the GOODS-N and GOODS-S fields using JWST/NIRCam imaging from JADES and JEMS in addition to JWST/NIRCam wide field slitless spectroscopy from FRESCO. High-redshift galaxy candidates are identified using HST+JWST photometry spanning $λ= 0.4-5.0\ μ\mathrm{m}$. We confirmed the redshifts for roughly a third of these galaxies using JWST/FRESCO spectroscopy over $λ= 3.9-5.0\ μ\mathrm{m}$ through identification of either $\mathrm{H} α$ or $\left[\mathrm{OIII} ight]\lambda5008$ around the best-fit photometric redshift. The rest-UV magnitudes and continuum slopes of these galaxies were inferred from the photometry: the brightest and reddest objects appear in more dense environments and thus are surrounded by more galaxy neighbors than their fainter and bluer counterparts, suggesting accelerated galaxy evolution within overdense environments. We find $17$ significant ($δ_{\mathrm{gal}} \geq 3.04$, $N_{\mathrm{galaxies}} \geq 4$) galaxy overdensities across both fields ($7$ in GOODS-N and $10$ in GOODS-S), including the two highest redshift spectroscopically confirmed galaxy overdensities to date at $\left&lt; z_{\mathrm{\,spec}} ight&gt; = 7.954$ and $\left&lt; z_{\mathrm{\,spec}} ight&gt; = 8.222$ (representing densities around $\sim 6$ and $\sim 12$ times that of a random volume). We estimate the total halo mass of these large-scale structures to be $11.5 \leq \mathrm{log}_{10}\left(M_{\mathrm{halo}}/M_{\odot} ight) \leq 13.4$ using an empirical stellar mass to halo mass relation, which are likely underestimates as a result of incompleteness. These protocluster candidates are expected to evolve into massive galaxy clusters with $\mathrm{log}_{10}\left(M_{\mathrm{halo}}/M_{\odot} ight) \gtrsim 14$ by $z = 0$.

연구 동기 및 목표

• 깊은 다중 파장 데이터를 활용하여 초기 우주에서 고적색도 은하 집합체를 식별하고 특성화하는 것.
• 광도 및 스펙트럼 분석을 통해 고적색도 은하의 물리적 성질과 적색도를 결정하는 것.
• 원시 은하단 후보의 대규모 구조 및 히알로 질량을 평가하여 거대 은하단 형성의 역사를 추적하는 것.
• 4.9 이상의 적색도에서 조밀한 환경이 은하 진화를 가속화하는 역할을 평가하는 것.
• 관측된 집합체를 시뮬레이션된 라이트콘这个时候와 비교하여 히알로 질량 추정치와 구조적 일관성을 검증하는 것.

제안 방법

• 0.4–5.0 μm 범위의 HST+JWST 광도를 활용하여 고적색도 은하 후보를 식별하였다.
• JWST/FRESCO 슬릿리스 스펙트로스코피(3.9–5.0 μm)를 적용하여 Hα 또는 [OIII]λ5008 방출선을 통해 적색도를 확증하였다.
• 다중 대역 광도에서 광학적 적색도 피팅 및 복사된 UV magnitude/연속선 기울기 추정을 수행하였다.
• 은하 집합체를 정의하기 위해 유의미도 임계값(δ_gal ≥ 3.04)과 최소 은하 수(N_galaxies ≥ 4)를 사용하였다.
• UniverseMachine 라이트콘这个时候 시뮬레이션에서 유도된 경험적 항성-히알로 질량 관계를 통해 히알로 질량을 추정하였다.
• Behroozi 등(2019)의 시뮬레이션 라이트콘这个时候와 관측된 집합체 특성을 비교하여 결과를 검증하였다.

Figure 1: Histograms showing the distribution of spectroscopic redshifts for the final spectroscopic sample described in Section 3.2 . The pink shaded regions represent the galaxies from GOODS-N while the blue shaded regions represent the galaxies from GOODS-S. This sample includes objects across th

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GOODS-N 및 GOODS-S 영역에서 고적색도 은하 집합체의 분포 및 물리적 구조는 어떻게 되는가?
• RQ2 조밀한 환경과 고립된 영역을 비교할 때 고적색도 은하의 적색도와 물리적 성질은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 가장 극단적인 원시 은하단 후보의 추정된 다크 매터 히알로 질량은 얼마이며, z=0에 도달할 무렵 어떻게 진화할 것인가?
• RQ4 관측된 집합체는 천체역학 시뮬레이션의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 조밀한 환경이 z > 4.9에서 은하 진화를 어느 정도 가속화하는가?

주요 결과

• 17개의 유의미한 은하 집합체가 식별되었으며, 이 중 7개는 GOODS-N, 10개는 GOODS-S에 위치해 있으며, 각각 최소 4개 이상의 은하를 포함하고 있고 δ_gal ≥ 3.04를 만족한다.
• 가장 높은 적색도를 가진 스펙트럼적으로 확인된 집합체 두 개는 평균 적색도 ⟨z_spec⟩ = 7.955 및 ⟨z_spec⟩ = 8.222를 기록하여, 지금까지 알려진 가장 먼 원시 은하단이다.
• 이 집합체들은 랜덤한 부피에 비해 표면 밀도가 약 6배와 12배 높아, 복사형 은하의 극도로 집중된 상태임을 시사한다.
• 이 구조물의 총 히알로 질량은 11.5 ≤ log₁₀(M_halo/M☉) ≤ 13.4로 추정되며, 관측의 불완전성으로 인해 실제보다 낮게 추정된 것으로 보인다.
• UniverseMachine 모델의 시뮬레이션 라이트콘这个时候는 관측된 집합체 통계(1개 영역당 약 8.2 ± 3.4개)를 재현하여, 히알로 질량 추정치의 신뢰성을 뒷받침한다.
• 이 원시 은하단은 z = 0에 도달할 무렵 log₁₀(M_halo/M☉) ≳ 14인 거대 은하단으로 진화할 것으로 예측되며, 계단식 구조 형성 이론과 일치한다.

Figure 2: Photometric redshifts versus spectroscopic redshifts for the final spectroscopic sample described in Section 3.2 . The upper (lower) panel adopts the EAZY “ $z_{\mathrm{a}}$ ” (“ $z_{\mathrm{peak}}$ ”) values as the photometric redshifts, which are described in Section 3.1 . The pink (blue