[论文解读] The galaxy UV luminosity function at $\mathbf{z \simeq 11}$ from a suite of public JWST ERS, ERO and Cycle-1 programs

D. J. McLeod, C. T. Donnan+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 8

一句话总结

本论文展示了一项覆盖广域的 JWST NIRCam 搜索（约 260 平方弧分钟），得到 61 个稳健的 z>9.5 星系候选体，以约9.5至12.5的红移范围约束演化中的 UV 光度函数，偏好双幂律形式及较陡的微弱端斜率。

ABSTRACT

We present a new determination of the evolving galaxy UV luminosity function (LF) over the redshift range $9.5250$ arcmin$^2$) data set of JWST NIRCam near-infrared imaging assembled from thirteen public JWST surveys. Our relatively large-area search allows us to uncover a sample of 61 robust $z>9.5$ candidates detected at $\geq 8σ$, and hence place new constraints on the intermediate-to-bright end of the UV LF. When combined with our previous JWST+UltraVISTA results, this allows us to measure the form of the LF over a luminosity range corresponding to four magnitudes ($M_{1500}$). At these early times we find that the galaxy UV LF is best described by a double power-law function, consistent with results obtained from recent ground-based and early JWST studies at similar redshifts. Our measurements provide further evidence for a relative lack of evolution at the bright-end of the UV LF at $z=9-11$, but do favour a steep faint-end slope ($α\leq-2$). The luminosity-weighted integral of our evolving UV LF provides further evidence for a gradual, smooth (exponential) decline in co-moving star-formation rate density ($ρ_{\mathrm{SFR}}$) at least out to $z\simeq12$, with our determination of $ρ_{\mathrm{SFR}}(z=11)$ lying significantly above the predictions of many theoretical models of galaxy evolution.

研究动机与目标

• 在使用公开调查数据集的广域 JWST NIRCam 数据下，绘制 z≈9.5–12.5 的 rest-frame UV 星系光度函数（LF）的演化。
• 测量 M1500 四个数量级范围内的 UV LF 的明亮端到中等端，并评估其函数形式。
• 将新的广域结果与先前的 JWST+UltraVISTA 约束相结合，推导直至 z≈12 的 ρ_SFR 演化。
• 评估 z>9.5 的明亮星系丰度，并与理论星系演化模型进行比较。

提出的方法

• 汇总一个跨多调查的 JWST NIRCam 目录（涵盖十三个公开调查），在适用时屏蔽簇/引力透镜后总面积约为 ~260 平方弧分钟。
• 进行 PSF 统一并以直径 0.35″ 的孔径进行光度测量，利用 FLUX_AUTO 的总光通量校正并额外考虑 Kron 裂隙之外的 10% 光量。
• 使用 LePhare 进行 SED 拟合，采用 BC03 模板、Chabrier IMF、Calzetti 脉冲塵法则，以及 Madau IGM 吸收来推导光度系数的 photometric redshift 与 M1500。
• 对 z>9.5 选择进行鲁棒性检验：zphot≥8.5、主解/次解 Δχ²≥4、在至少一个关键带中 ≥8σ 检测，以及在 Lyman 跃迁前的波段无检测。
• 在簇场（如 SMACS 0723）中考虑引力透镜效应与有效 survey 面积，并使用已发表的透镜模型推导去扭曲后的面积和放大因子。

Figure 1: An illustration of the distribution of F200W $8\sigma$ global depths across the various surveys utilised in our search for $z\geq 9.5$ galaxies. These depths have been calculated in $0.35^{\prime\prime}-$ diameter apertures and corrected to total assuming a point-source correction, followi

实验结果

研究问题

• RQ1 在四个数量级的光度范围内，z≈9.5–12.5 的 UV 光度函数形式为何？
• RQ2 在这些红移下的 UV LF 是否在明亮端偏向双幂律而非 Schechter 函数？
• RQ3 直至 z≈12 的光度密度及隐含的星形成率密度 (ρ_SFR) 有何演化？
• RQ4 z>9.5 的 JWST 推导的 LF 测量与现有的早期星系演化理论模型相比有何差异？

主要发现

• 在 z≈9.5–12.5，UV 光度函数最适合用双幂律来描述，这与最近的地基观测和早期 JWST 研究一致。
• 在 z=9–11 的明亮端，UV LF 的演化相对不足的证据存在。
• 基于综合数据，微弱端斜率较陡（α ≤ −2）。
• 演化中的 UV LF 的光度加权积分显示在共动体的星形成率密度向 z≈12 逐渐呈指数下降。
• 推导的 ρ_SFR(z=11) 明显高于许多理论模型的预测，表明早期宇宙的星形成活动高于某些模型的预期。

Figure 2: The left-hand panel shows the distribution of apparent F200W magnitude (measured in a 0.35 ${}^{\prime\prime}-$ diameter aperture) with photometric redshift for our selected sample of high-redshift candidates. The right-hand panel shows the corresponding de-lensed rest-frame $M_{1500}$ mag