[论文解读] Insight from JWST/NIRCam into galaxy overdensities around bright Ly$α$ emitters during reionization: implications for ionized bubbles at $z \sim 9$

Lily Whitler, Daniel P. Stark+5 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 8

一句话总结

该研究使用 JWST/NIRCam CEERS 成像在 EGS 中搜索 z=8.7 的两个 UV-bright Lyα 发射体周围的微弱邻近星系，发现显著的超密度，暗示存在一个较大的电离泡，并讨论对再电离拓扑的影响。

ABSTRACT

Several studies have detected Lyman-alpha (Ly$α$) from bright ($M_\mathrm{UV}\lesssim-21.5$) galaxies during the early stages of reionization despite the significantly neutral intergalactic medium. To explain these detections, it has been suggested that $z>7$ Ly$α$ emitters (LAEs) inhabit physical Mpc (pMpc)-scale ionized regions powered by overdensities of faint galaxies, but systematic searches for these overdensities near LAEs have been challenging. Here, we use CEERS JWST/NIRCam imaging to search for large-scale galaxy overdensities near two very UV-bright, $z=8.7$ LAEs in the EGS field. We colour select 27 $z=8.4-9.1$ candidates, including the one LAE in the footprint (EGSY8p7). From SED models, we infer moderately faint UV luminosities ($-21.2\lesssim{M_\mathrm{UV}}\lesssim -19.1$) and stellar masses of $M_*\approx10^{7.5-8.8}$ M$_\odot$. All are efficient ionizing agents ($ξ_{\mathrm{ion}}^{*}\approx10^{25.5-26.0}$ Hz erg$^{-1}$) and are generally morphologically simple with only one compact ($r_e\lesssim140$ to $\sim650$ pc) star-forming component. 13 candidates lie within 5 arcmin of EGSY8p7, leading to a factor-of-four galaxy overdensity at $\lesssim 5$ arcmin ($\sim 1.4$ projected pMpc at $z\sim8.7$) separations from EGSY8p7. Separations of $10-15$ arcmin ($\sim2.7-4.1$ projected pMpc) are consistent with an average field. The spatial distribution of our sample may qualitatively suggest an $R\geq2$ pMpc ionized bubble encompassing both LAEs in EGS, which is theoretically unexpected but may be possible for a galaxy population $4 imes$ more numerous than the average to create with moderate escape fractions ($f_\mathrm{esc}\gtrsim0.15$) over long times ($\gtrsim200$ Myr). Upcoming spectroscopic follow-up will characterize the size of any ionized bubble that may exist and the properties of the galaxies powering such a bubble.

研究动机与目标

• 评估在 z≈8.7 的极度紫外亮 Lyα 发射体是否位于大尺度星系超密度中。
• 绘制微弱邻近星系以表征潜在的电离源和泡泡大小。
• 量化 EGSY8p7 与相关 LAE 周围超密度的振幅和尺度，从而推断电离泡泡属性。

提出的方法

• 在约 85 平方弧分的深层 CEERS JWST/NIRCam 成像中，利用 dropout 选择识别 z~8.7 Lyman-break galaxy 候选体。
• 将 JWST NIRCam 光度测量与 HST/ACS 光学数据结合，构建 SED 并推导物理属性。
• 应用 PSF 均匀化和椭圆 Kron 测光方案，并进行邻近天体减法，以确保多波段光度测量的鲁棒性。
• 实施光学 χ² 与颜色切割以选择 z~8.4–9.1 候选体，并通过模拟 SED 与 Lyα EW 变化来评估完备性。
• 在 BEAGLE SED 模型下，结合先验将源置于 z≥4 的假设，估算 photometric redshift 与恒星质量以代表高-z 属性。

实验结果

研究问题

• RQ1 微弱且中等紫外亮的星系是否会在 z=8.7 的 Lyα 发射体周围聚集，指示大尺度超密度？
• RQ2 LAEs 周围的超密度在投影空间的尺度与振幅是多少，这对再电离过程中的电离泡大小意味着什么？
• RQ3 Lyα 发射与潜在超密度如何关系到邻近星系的电离辐射产出与逃逸分数？

主要发现

• 在 CEERS 场中围绕两个 UV-bright LAEs 发现 27 个 z~8.4–9.1 的 dropout 候选体，包括 EGSY8p7。
• 有 13 个候选体位于距 EGSY8p7 5 arcmin 内，给出在分离小于等于 5 arcmin 时的星系超密度约为四倍（约在 z~8.7 的 1.4 投影 pMpc）。
• 10–15 arcmin 的分离距离（约 2.7–4.1 投影 pMpc）与平均野场一致。
• Beagle 建模表明候选体的 MUV 约从 −21.2 到 −19.1，恒星质量约 10^7.5–10^8.8 M⊙，电离效率高（log(ξion*) ≈ 25.5–26.0 Hz erg−1）。
• 空间分布在定性上可能指示一个半径 r ≥ 2 pMpc 的电离泡涵盖两位 LAE，该情形在周围星系人口约为宇宙平均值的 ≈4×、fesc ≳ 0.15 且持续 ≳200 Myr 时是可行的。