[論文レビュー] Morphologies of Galaxies at $z \gtrsim 9$ Uncovered by JWST/NIRCam Imaging: Cosmic Size Evolution and an Identification of an Extremely Compact Bright Galaxy at $z\sim 12$

Yoshiaki Ono, Yuichi Harikane+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、JWST/NIRCamによる画像を用いて $z \gtrsim 9$ の高赤方偏移銀河の形態を分析し、GALFITを用いた表面輝度プロファイルフィッティングとモンテカルロシミュレーションを駆使して有効半径を測定した。GL-z12-1は $z \sim 12$ の非常にコンパクトな銀河であり、$r_{\rm e} = 39 \pm 11$ pc であり、宇宙論的シミュレーションにおける初期段階で孤立した星形成と整合的である。また、$z \sim 0$ から $16$ の間で $r_{\rm e} \propto (1+z)^{-1.22}$ のサイズ進化スケーリングが確認された。

ABSTRACT

We present morphologies of galaxies at $z \gtrsim 9$ resolved by JWST/NIRCam $2$-$5μ$m imaging. Our sample consists of $22$ galaxy candidates identified by stringent dropout and photo-$z$ criteria in GLASS, CEERS, SMACS J0723, and Stephan's Quintet flanking fields, one of which has been spectroscopically identified at $z=11.44$. We perform surface brightness (SB) profile fitting with GALFIT for $6$ bright galaxies with S/N $=10$-$40$ on an individual basis and for stacked faint galaxies with secure point-spread functions (PSFs) of the NIRCam real data, carefully evaluating systematics by Monte-Carlo simulations. We compare our results with those of previous JWST studies, and confirm that effective radii $r_{ m e}$ of our measurements are consistent with those of previous measurements at $z\sim 9$. We obtain $r_{ m e}\simeq 200$-$300$ pc with the exponential-like profiles, Sérsic indexes of $n\simeq 1$-$1.5$, for galaxies at $z\sim 12$-$16$, indicating that the relation of $r_{ m e}\propto (1+z)^s$ for $s=-1.22^{+0.17}_{-0.16}$ explains cosmic evolution over $z\sim 0$-$16$ for $\sim L^*_{z=3}$ galaxies. One bright ($M_{ m UV}=-21$ mag) galaxy at $z\sim 12$, GL-z12-1, has an extremely compact profile with $r_{ m e}=39 \pm 11$ pc that is surely extended over the PSF. Even in the case that the GL-z12-1 SB is fit by AGN$+$galaxy composite profiles, the best-fit galaxy component is again compact, $r_{ m e}=48^{+38}_{-15}$ pc that is significantly ($>5σ$) smaller than the typical $r_{ m e}$ value at $z\sim 12$. Comparing with numerical simulations, we find that such a compact galaxy naturally forms at $z\gtrsim 10$, and that frequent mergers at the early epoch produce more extended galaxies following the $r_{ m e}\propto (1+z)^s$ relation.

研究の動機と目的

• 深さのある JWST/NIRCam 画像を用いて、$z \gtrsim 9$ の高赤方偏移銀河の形態と有効半径を測定すること。
• 銀河サイズの宇宙論的進化を $z \sim 0$ から $16$ にわたり調査し、$r_{\rm e} \propto (1+z)^s$ のスケーリング関係が成り立つかを検証すること。
• GL-z12-1 などの $z \sim 12$ の極めてコンパクトな銀河を特定・特徴づけ、その形成メカニズムを評価すること。
• 観測された銀河サイズと星形成表面密度を、宇宙論的シミュレーションと比較して、形成シナリオを制約すること。
• 現実のPSFと信号対雑音比を考慮したモンテカルロシミュレーションを用いて、サイズ測定における系貫的バイアスを評価すること。

提案手法

• S/N = 10–40 の個々の銀河に対して、GALFITを用いた表面輝度プロファイルフィッティングを、6つの明るい銀河およびスタックされたかすれた銀河に対して実施。
• 実際の JWST/NIRCam のPSFを用いたモンテカルロシミュレーションにより、かすれた物体におけるサイズと輝度の低減を補正するための系統的誤差補正を実施。
• 低質量銀河における星形成分布の比較のため、rest-frame UVおよび光学の表面輝度プロファイルを用いる。
• 観測されたサイズ–明るさ関係をHSTに基づく外挿と宇宙論的シミュレーションと比較し、一貫性を評価。
• AGN + 銀河複合プロファイルを用いて GL-z12-1 をモデリングし、潜在的な核活動とは独立して、星形成成分のコンパクトさを検証。
• GL-z12-1 におけるブラックホール質量と星形成質量を、局所の $M_{\rm BH}$–$M_{\rm star}$ 関係と比較し、初期ブラックホール形成シナリオを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移銀河の有効半径は $z \sim 9$–$16$ でどの程度であり、宇宙の時間とともにどのように変化するか？
• RQ2 明るさが $\sim L^{*}_{z=3}$ の銀河について、$z \sim 0$ から $16$ の範囲で観測された $r_{\rm e} \propto (1+z)^s$ スケーリング関係は一貫しているか？
• RQ3 GL-z12-1 が $z \sim 12$ で $r_{\rm e} = 39 \pm 11$ pc という極めてコンパクトなサイズを示すのは、標準的な星形成またはAGN活動で説明可能か？
• RQ4 高 $z$ 銀河の星形成表面密度は $z \sim 6$–$8$ のものと比べてどの程度か？ これはその形成メカニズムに何を示唆するか？
• RQ5 宇宙論的シミュレーションは、$z \gtrsim 10$ でこのようなコンパクトな銀河の形成を支持するか？ また、コンパクトな形態と拡張した形態を形成するための物理的条件は何か？

主な発見

• 銀河が $z \sim 12$–$16$ に存在する場合、有効半径は $r_{\rm e} \simeq 200$–$300$ pc であり、Sérsic 指数 $n \simeq 1$–$1.5$ であり、指数的プロファイルに類似している。
• 明るさが $\sim L^{\ast}_{z=3}$ の銀河のサイズ進化は $r_{\rm e} \propto (1+z)^s$ に従い、$s = -1.22^{+0.17}_{-0.16}$ であり、$z \sim 0$ から $16$ まで延長される。
• GL-z12-1 は $r_{\rm e} = 39 \pm 11$ pc という極めてコンパクトな銀河として特定され、$z \sim 12$ の典型的な $r_{\rm e}$ よりも著しく小さい。
• AGN + 銀河複合モデルでフィッティングしても、最良の適合銀河成分は $r_{\rm e} = 48^{+38}_{-15}$ pc というコンパクトさを示し、典型的なサイズスケールを下回る $5\sigma$ 以上の有意性を示した。
• GL-z12-1 の星形成表面密度はそのコンパクトさのおかげで非常に高く、$z \sim 6$–$8$ で観測された値と同等またはそれを上回る。
• 宇宙論的シミュレーションでは、GL-z12-1 におけるこのようなコンパクトな星形成は、比較的孤立した、降着主導の段階に対応していることが示され、一方で $r_{\rm e} \sim 200$–$500$ pc の大きな銀河は合体や相互作用の段階に関連している。