[논문 리뷰] The Star-forming and Ionizing Properties of Dwarf z~6-9 Galaxies in JADES: Insights on Bursty Star Formation and Ionized Bubble Growth

Ryan Endsley, Daniel P. Stark외 38명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 08.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 32

한 줄 요약

이 연구는 심층 JADES/NIRCam 이미징을 사용하여 756개의 fainter z∼6–9 은하의 rest-UV에서 optical SED를 통계적으로 특성화하고 이들의 별형성 이력, 성운 방출, 금속 함량, 및 이온화 특성을 제약한다.

ABSTRACT

Reionization is thought to be driven by faint star-forming galaxies, but characterizing this population has long remained very challenging. Here we utilize deep nine-band NIRCam imaging from JADES to study the star-forming and ionizing properties of 756 $z\sim6-9$ galaxies, including hundreds of very UV-faint objects ($M_\mathrm{UV}>-18$). The faintest ($m\sim30$) galaxies in our sample typically have stellar masses of $M_\ast\sim(1-3) imes10^7$ $M_\odot$ and young light-weighted ages ($\sim$50 Myr), though some show strong Balmer breaks implying much older ages ($\sim$500 Myr). We find no evidence for extremely massive galaxies ($>3 imes10^{10}$ $M_\odot$). We infer a strong (factor $>$2) decline in the typical [OIII]$+$H$β$ EWs towards very faint $z\sim6-9$ galaxies, yet a weak UV luminosity dependence on the H$α$ EWs at $z\sim6$. We demonstrate that these EW trends can be explained if fainter galaxies have systematically lower metallicities as well as more recently-declining star formation histories relative to the most UV-luminous galaxies in our sample. Our data provide evidence that the brightest galaxies are frequently experiencing a recent strong upturn in SFR. We also discuss how the EW trends may be influenced by a strong correlation between $M_\mathrm{UV}$ and Lyman continuum escape fraction. This alternative explanation has dramatically different implications for the contribution of galaxies along the luminosity function to cosmic reionization. Finally, we quantify the photometric overdensities around two $z>7$ strong Ly$α$ emitters. One Ly$α$ emitter lies close to a strong photometric overdensity while the other shows no significant nearby overdensity, perhaps implying that not all strong $z>7$ Ly$α$ emitters reside in large ionized bubbles.

연구 동기 및 목표

• 다 매우 약한 z∼6–9 은하의 물리적 특성(별질량, 연령, 금속 함량)을 rest-UV에서 rest-optical SED를 사용해 quantify한다.
• 이 dwarfs에서 성운선 방출이 짧은 시간척도(수 Myr)의 별형성 변동을 어떻게 추적하는지 평가한다.
• UV 광도, 금속 함량, 별형성 이력, Lyman 연속체 탈출 간의 관계를 조사한다.
• 약 은하군이 우주 재이온화와 이온화 버블 성장에 어떻게 기여하는지 탐구한다.
• z>7 Lyα 방출체의 광환경을 조사하여 은하 집단을 이온화 영역과 연결지을 수 있는지 확인한다.

제안 방법

• GOODS-S와 GOODS-N에서 JADES의 9밴드 심층 이미징을 활용하여 14밴드 ACS+NIRCam 포토메트리 구축.
• 적색편이 두 개의 구간(z∼6과 z∼7–9)에서 Lyman-break 드롭아웃 색 선택으로 z∼6–9 은하를 식별.
• 4개의 photoionization 기반 SED 모델 세트(CSFH+BEAGLE, TcSFH+BEAGLE, prospector 연속성, 그리고 prospector 버스트 priors)로 광도측정치를 피팅하여 별질량, 연령, 금속 함량, 이온화 파라미터를 도출.
• Chabrier IMF, SMC 먼지, 질량, 연령, 금속 함량, 이온화 파라미터에 대한 명시 범위를 포함하는 일관된 prior 프레임워크를 부과하고 Inoue et al. (2014) IGM 감쇠를 채택.
• _neighbor subtraction 및 PSF-매칭 포토메트리를 통합하여 모든 밴드에서 약한 소스의 측정을 견고하게 수행.
• rest-optical 네뷸러 선 강도([OIII]+Hβ, Hα)를 광학적으로 제약하여 버스트성 및 이온화 출력을 탐색.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가장 약한 UV를 보이는 z∼6–9 은하 군의 stellar masses, ages, metallicities는 무엇인가?
• RQ2 약 z∼6–9 은하에서 짧은 시간 척도(대략 수 Myr)의 bursty한 star formation histories가 나타나는가?
• RQ3 이 인구에서 nebular emission line 강도와 이온화 파라미터가 UV 광도 및 적색편이에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 LyC 탈출을 통한 재이온화 기여 측면에서 faint 은하의 역할은 무엇인가?
• RQ5 강한 Lyα 방출체(z>7)가 대형 이온화 과밀구에서 위치하는가, 아니면 주변 버블이 두드러지지 않는 경우도 존재하는가?

주요 결과

• 가장 약한 z∼6–9 은하는 일반적으로 stellar mass가 약 (1–3)×10^7 M⊙ 수준이며 light-weighted 연령은 약 50 Myr, 어떤 경우에는 Balmer 분절이 나타나 연령이 약 500 Myr임을 시사한다.
• 가장 약한 은하들에서 [OIII]+Hβ 등가폭의 전형적 감소가 2배 이상 관찰되며 z∼6에서 Hα EW의 UV 광도 의존성은 더 약하다.
• 관측된 EW 경향은 더 낮은 금속 함량과 더 최근에 감소하는 SFH를 가진 더 약한 은하들로 설명될 수 있으며, 더 밝은 시스템에서 더 버스트성 활동과 일치한다.
• MUV와 Lyman 연속체 탈출 분수 사이의 상관관계가 재이온화에 대한 은하의 기여를 크게 바꿀 수 있어 심층 분광 후속 관찰이 필요하다.
• z>7 Lyα 방출체를 둘러싼 광학적 과밀도는 혼재되어 있다: 하나는 강한 과밀도 근처에 위치하고 다른 하나는 근처 과밀도가 유의하지 않아, 모든 강한 z>7 Lyα 방출체가 큰 이온화 버블에 위치하지 않을 수 있음을 시사한다.