[논문 리뷰] RUBIES Reveals a Massive Quiescent Galaxy at z=7.3

Andrea Weibel, Anna de Graaff외 27명|arXiv (Cornell University)|2024. 09. 05.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 z=7.29에서 질량이 큰 휴면 은하 RUBIES-UDS-QG-z7의 스펙트로스코피 확인을 보고하며, 그 항성 질량, 빠른 초기 형성, 컴팩트한 크기 및 초기 억제와 은하 형성 모델에 대한 시사점을 자세히 설명한다.

ABSTRACT

We report the spectroscopic discovery of a massive quiescent galaxy at $z_{ m spec}=7.29\pm0.01$, just $\sim700\,$Myr after the Big Bang. RUBIES-UDS-QG-z7 was selected from public JWST/NIRCam and MIRI imaging from the PRIMER survey and observed with JWST/NIRSpec as part of RUBIES. The NIRSpec/PRISM spectrum reveals one of the strongest Balmer breaks observed thus far at $z>6$, no emission lines, but tentative Balmer and Ca absorption features, as well as a Lyman break. Simultaneous modeling of the NIRSpec/PRISM spectrum and NIRCam and MIRI photometry (spanning $0.9-18\,μm$) shows that the galaxy formed a stellar mass of log$(M_*/M_\odot)=10.23^{+0.04}_{-0.04}$ before $z\sim8$, and ceased forming stars $50-100\,$Myr prior to the time of observation, resulting in $\log( m{sSFR/Gyr}^{-1})<-1$. We measure a small physical size of $209_{-24}^{+33}\,{ m pc}$, which implies a high stellar mass surface density within the effective radius of $\log(Σ_{*, m e}/M_\odot\,kpc^{-2})=10.85_{-0.12}^{+0.11}$ comparable to the highest densities measured in quiescent galaxies at $z\sim2-5$. The 3D stellar mass density profile of RUBIES-UDS-QG-z7 is remarkably similar to the central densities of local massive ellipticals, suggesting that at least some of their cores may have already been in place at $z>7$. The discovery of RUBIES-UDS-QG-z7 has strong implications for galaxy formation models: the estimated number density of quiescent galaxies at $z\sim7$ is $>100 imes$ larger than predicted from any model to date, indicating that quiescent galaxies have formed earlier than previously expected.

연구 동기 및 목표

• JWST 데이터를 사용하여 가장 높은 적색편차에서 질량이 큰 정지 은하를 탐색하도록 동기를 부여한다.
• RUBIES-UDS-QG-z7의 별 형성 역사와 억 제 형성 시점을 특징짓는다.
• 다양한 적색편차에 걸친 알려진 밀집 정지 은하들과 비교하여 은하의 구조적 특성과 질량 밀도를 정량화한다.
• 초기 은하 형성 모델과 초기 정지 은하의 예상 수 밀도에 대한 시사점을 평가한다.

제안 방법

• JWST/NIRCam 및 MIRI 영상(PRIMER 데이터 세트)에서 고적색편차 정지 후보를 선택한다.
• JWST/NIRSpec PRISM 스펙트럼을 수집하고 msaexp 파이프라인으로 데이터를 감소시키며, 플럭스 보정 및 바 시야 보정 등을 포함한다.
• 비모수 SFH와 Kriek–Conroy 먼지 감쇠 모델을 사용하는 Prospector를 이용해 Bayesian SED 피팅을 수행한다(FSPS/MILES/MIST, Chabrier IMF).
• NIRSpec 스펙트럼과 NIRCam/MIRI 광도 측정을 0.9–18 µm 대에서 공동 피팅하여 적색편차, 항성 질량, 금속함량, 먼지 및 SFH를 제약한다.
• rest-frame optical/UV 이미징의 deprojected Sérsic 피팅으로 Abel 변환을 통해 3D 질량 밀도 프로파일을 도출한다.
• 금속성 우선치 및 잠재적 α-향상 등 체계적 효과와 불확실성을 평가한다.

Figure 1: NIRSpec/PRISM Spectrum of RUBIES-UDS-QG-z7. Top: 2D SNR spectrum. Bottom: 1D spectrum of RUBIES-UDS-QG-z7 in red, with 1 $\sigma$ uncertainties in gray. The NIRCam photometry is shown as orange dots and the best-fitting SED from prospector in blue (see Section 3 ). A zoom-in to the region

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RUBIES-UDS-QG-z7가 z>7에서 진정한 질량이 큰 정지 은하인가, 그리고 그것의 항성 질량과 별 형성 역사는 무엇인가?
• RQ2 그러한 초기 정지 시스템의 구조적 특성과 항성 질량 밀도는 어떠하며, 나중 시점과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 추정된 형성 및 억제 시점은 초기 우주에서 질량이 큰 정지 은하의 형성 시나리에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

수량	기준값	고-Z
z_spec	7.287^{+0.007}_{-0.006}	7.290^{+0.005}_{-0.006}
log(M*/M_sun)	10.23^{+0.04}_{-0.04}	10.19^{+0.04}_{-0.04}
log(Σ*,e / M_sun kpc^-2)	10.85^{+0.11}_{-0.12}	10.80^{+0.11}_{-0.12}
SFR (M_sun/yr) at 10	0.64^{+0.83}_{-0.60}	1.08^{+1.55}_{-0.98}
SFR (M_sun/yr) at 50	0.83^{+11.11}_{-0.76}	2.13^{+5.54}_{-1.92}
SFR (M_sun/yr) at 100	0.84^{+20.16}_{-0.78}	48.89^{+21.12}_{-13.04}
A_V (mag)	0.34^{+0.08}_{-0.09}	0.27^{+0.09}_{-0.07}
t50 (Gyr)	0.20^{+0.07}_{-0.02}	0.16^{+0.03}_{-0.02}
t90 (Gyr)	0.12^{+0.01}_{-0.01}	0.07^{+0.01}_{-0.01}
log(Z/Z_sun)	-0.94^{+0.05}_{-0.04}	0.07^{+0.08}_{-0.11}

• 스펙트roscopic 적색편차는 z_spec = 7.29 ± 0.01로, 강한 Balmer 단절과 발열선의 부재로 억제를 시사한다.
• log(M*/M_sun) = 10.23 ± 0.04 (fiducial), 항성 질량은 대략 ~1.7 × 10^10 M_sun에 해당한다.
• 별 형성 역사는 z ~ 8–9에서의 빠른 버스트(~100–200 Myr)와 함께 SFR ~100 M_sun/yr이며, z ~ 8에서 억제가 시작되고 지난 약 50 Myr 동안 거의 SFR이 없다.
• 유의하게 컴팩트한 크기이며 유효 반지름 R_e ≈ 209^{+33}_{-24} pc로, 항성 질량 표면 밀도 log(Σ*,e / M_sun kpc^-2) = 10.85^{+0.11}_{-0.12}를 준다.
• 3D 질량 밀도 프로파일은 국부적인 거대 타원은하의 핵과 유사한 밀도에 도달하며, z > 7에서도 일부 중심 밀도가 이미 존재했을 가능성을 시사한다.
• 수적 밀도에 대한 함의: 관측된 개체군은 z ~ 7에서의 정지 은하의 수 밀도가 현재 모델이 예측하는 값보다 100배 이상 높음을 시사한다.

Figure 2: Top: NIRCam and MIRI imaging cutouts of RUBIES-UDS-QG-z7. Middle: The posterior median SED from prospector along with the NIRCam + MIRI photometry, which constrains the fit over the rest-frame optical to near-infrared. Bottom: Fitted non-parametric SFHs for the fiducial model ( $Z=0.11\,{\