[논문 리뷰] NGDEEP Epoch 1: The Faint-End of the Luminosity Function at $z \sim$ 9-12 from Ultra-Deep JWST Imaging

Gene C. K. Leung, Micaela B. Bagley외 27명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 09.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 현재까지 공개된 바 중에서 가장 깊은 JWST/NIRCam 이미징을 제시하며, F277W 필터에서 5σ 깊이가 m = 30.4 AB mag에 도달하여 HUDF-Par2 영역에서 38개의 강력한 z ≳9 은하 후보를 규명한다. 연구는 z ∼9와 z ∼11에서 고유 주파수 영역의 자외선 볼류미터 함수를 측정하였으며, 밝기 끝부분 기울기의 유의미한 변화가 없음을 발견하였다 (z ∼9에서 α = −2.5 ± 0.4, z ∼11에서 α = −2.2 ± 0.2), 일부 이론 모델은 밝은 부분보다 어두운 부분의 은하 수를 더 잘 재현한다.

ABSTRACT

We present a robust sample of very high-redshift galaxy candidates from the first epoch of {\it JWST}/NIRCam imaging from the Next Generation Extragalactic Exploratory Deep (NGDEEP) Survey. The NGDEEP NIRCam imaging in the Hubble Ultra Deep Field Parallel Field 2 (HUDF-Par2) reaches $m=30.4$ (5$σ$, point-source) in F277W, making it the deepest public {\it JWST} GO imaging dataset to date. We describe our detailed data reduction process of the six-filter broad-band {\it JWST}/NIRCam imaging, incorporating custom corrections for systematic effects to produce high-quality calibrated images. Using robust photometric redshift selection criteria, we identify a sample of 38 $z \gtrsim 9$ galaxy candidates. These objects span a redshift range of $z=8.5-15.8$, and apparent magnitudes of $m_\mathrm{F277W} = 27-30.5$ AB mag, reaching $\sim 1.5$ mag deeper than previous public {\it JWST} imaging surveys. We calculate the rest-frame ultraviolet (UV) luminosity function at $z \sim$ 9 and 11, and present a new measurement of the luminosity function faint-end slope at $z \sim 11$. There is no significant evolution in the faint-end slope and number density from $z=9$ to 11. Comparing our results with theoretical predictions, we find that some models produce better agreement at the faint end than the bright end. These results will help to constrain how stellar feedback impacts star formation at these early epochs.

연구 동기 및 목표

• 초초심도의 JWST 이미징을 활용하여 z ∼9–12에서 은하 볼류미터 함수의 어두운 끝부분을 탐색한다.
• NGDEEP 설문의 첫 번째 에포크 데이터에서 강력한 고적색도 은하 후보를 식별한다.
• z ∼9와 z ∼11에서 고유 주파수 영역의 자외선 볼류미터 함수와 그 어두운 끝부분 기울기를 측정한다.
• 관측된 볼류미터 함수를 이론 모델과 비교하여 초기 은하 형성에서 별의 피드백 역할을 평가한다.

제안 방법

• 시스템적 오차를 보정하기 위한 맞춤형 보정을 적용하여 여섯 필터의 넓은 대역 JWST/NIRCam 이미징에 대한 세밀한 데이터 감소를 수행하였다.
• 강력한 광학적 적색도 선택 기법을 적용하여 초초심도 이미징에서 z ≳9 은하 후보를 식별하였다.
• 어두운 끝부분 기울기와 수밀도 진화를 정량화하기 위해 관측된 자외선 볼류미터 함수에 이중 거듭제곱함수(DPL)를 피팅하였다.
• z ∼11에서 측정된 볼류미터 함수를 경험적 외삽과 물리 기반 이론 모델과 비교하였다.
• 고역동 범위 이미징을 사용하여 ≳3µm에서의 밀집하고 빨간색인 소스를 탐지하였으며, 이는 가능성이 있는 먼지로 가림을 입은 은하 또는 활성 은하핵을 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ∼9와 z ∼11에서 자외선 볼류미터 함수의 어두운 끝부분 기울기는 얼마이며, 이 기울기는 이러한 적색도 사이에서 변화하는가?
• RQ2 z ≳9에서 관측된 어두운 은하의 수밀도는 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 어느 이론 모델이 z ∼11에서 관측된 어두운 끝부분 은하 수를 가장 잘 재현하는가?
• RQ4 별의 피드백과 같은 물리적 메커니즘이 어두운 끝부분에서 모델과 관측 간의 괴리점을 설명할 수 있는가?
• RQ5 초초심도 이미징에서 탐지된 가장 먼 거리에 위치하고 가장 빨간색인 소스의 특성은 무엇인가?

주요 결과

• NGDEEP 설문은 F277W 필터에서 30.4 AB mag의 5σ 깊이를 달성하여 현재까지 공개된 바 중 가장 깊은 JWST 이미징 데이터셋이 되었다.
• mF277W = 27–30.5 AB mag 범위, z = 8.5–15.8를 포함하는 38개의 z ≳9 은하 후보로 구성된 강력한 샘플이 식별되었다.
• 자외선 볼류미터 함수의 어두운 끝부분 기울기는 z ∼9에서 α = −2.5 ± 0.4, z ∼11에서 α = −2.2 ± 0.2로 측정되었으며, 이는 변화가 없음을 시사한다.
• 별의 피드백을 포함하는 이론 모델은 다양한 어두운 끝부분 기울기를 예측하며, 일부는 z ∼11에서 어두운 은하의 수밀도를 과소평가한다.
• ≳3µm에서 두 개의 밀집하고 빨간색 소스가 발견되었으며, 이는 먼지로 가려진 은하 또는 퀘이사 활동의 가능성을 시사한다.