[論文レビュー] Two Remarkably Luminous Galaxy Candidates at $z\approx10-12$ Revealed by JWST

Rohan P. Naidu, Pascal A. Oesch+23 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、CEERSおよびGLASS Early Release ScienceプログラムのJWST/NIRCam画像を用いて、赤方偏移z≈10–12の2つの非常に明るい銀河候補を特定した。銀河GLASS-z10およびGLASS-z12は、強いライマンブレイクを示し、SEDモデリングによりビッグバン後300–400 Myr以内にすでに約10⁹ M☉の星が形成済みであると判明した。これは、既存のUV等級関数モデルに挑戦するものであり、初期の効率的で急速な星形成を示唆している。

ABSTRACT

The first few hundred Myrs at $z>10$ mark the last major uncharted epoch in the history of the Universe, where only a single galaxy (GNz11 at $z\approx11$) is currently spectroscopically confirmed. Here we present a search for luminous $z>10$ galaxies with $JWST$/NIRCam photometry spanning $\approx1-5μ$m and covering 49 arcmin$^{2}$ from the public Early Release Science programs (CEERS and GLASS). Our most secure candidates are two $M_{ m{UV}}\approx-21$ systems: GLASS-z12 and GLASS-z10. These galaxies display abrupt $\gtrsim1.8$ mag breaks in their spectral energy distributions, consistent with complete absorption of flux bluewards of Lyman-$α$ that is redshifted to $z=12.4^{+0.1}_{-0.3}$ and $z=10.4^{+0.4}_{-0.5}$. Lower redshift interlopers such as quiescent galaxies with strong Balmer breaks would be comfortably detected at $>5σ$ in multiple bands where instead we find no flux. From SED modeling we infer that these galaxies have already built up $\sim 10^9$ solar masses in stars over the $\lesssim300-400$ Myrs after the Big Bang. The brightness of these sources enable morphological constraints. Tantalizingly, GLASS-z10 shows a clearly extended exponential light profile, potentially consistent with a disk galaxy of $r_{ m{50}}\approx0.7$ kpc. These sources, if confirmed, join GNz11 in defying number density forecasts for luminous galaxies based on Schechter UV luminosity functions, which require a survey area $>10 imes$ larger than we have studied here to find such luminous sources at such high redshifts. They extend evidence from lower redshifts for little or no evolution in the bright end of the UV luminosity function into the cosmic dawn epoch, with implications for just how early these galaxies began forming. This, in turn, suggests that future deep $JWST$ observations may identify relatively bright galaxies to much earlier epochs than might have been anticipated.

研究の動機と目的

• CEERSおよびGLASS Early Release Scienceプログラムの深紫外JWST/NIRCam画像から、赤方偏移z > 10の明るい高赤方偏移銀河を探索すること。
• 光度およびSEDフィッティング技術を用いて、極めて明るい高赤方偏移銀河候補を特定・特徴付けること。
• これらの候補が、宇宙の夜明けにおける質量的で急速に形成される銀河の集団を示しており、現在の銀河形成モデルに挑戦するかどうかを評価すること。
• これらの検出結果が、z > 10におけるUV等級関数および星形成効率に与える影響を評価すること。
• 将来的なJWST観測における形態的および分光的フォローアップの可能性を提示すること。

提案手法

• CEERSおよびGLASS領域の49 arcmin²にわたる、JWST/NIRCamを用いた深紫外光度測定（1–5 µmをカバー）。
• 赤方偏移z ≈ 10–12におけるライマン＝アルファ吸収に一致する、1.8 mag以上の急激なスペクトルエネルギー分布（SED）ブレークを用いて候補を同定。
• 赤方偏移、星形成質量、星形成率の推定に、ProspectorおよびFSPSモデルを用いたSEDフィッティングを実施。
• GALFITを用いて形態を制約し、指数的プロファイルがディスク型構造と整合的であることを確認。
• 複数バンドでのフラックス非検出（>5σの限界）を用いて、低赤方偏移の混入者からの汚染を評価。
• 観測された数密度をSchechter関数および二重パワー則UV等級関数モデルと比較し、明るい端での乖離を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M_UV ≈ -21の明るい銀河はz ≈ 10–12に存在するのか。また、それらは高赤方偏移銀河形成モデルと整合的か。
• RQ2 JWSTデータにおいて、z ≈ 10–12におけるSEDに強いライマンブレイクを信頼性高く同定できるか。それらは赤方偏移および物理的性質にどのような含意を持つのか。
• RQ3 これらの銀河の星形成質量および星形成効率は何か。また、UV等級関数の予想と比較するとどうなるか。
• RQ4 これらの銀河は、z ≈ 10–12においてディスク型構造と形態的に整合的か。これは初期銀河形成にどのような含意を持つのか。
• RQ5 これらの検出結果が、明るい端における標準的なSchechter UV等級関数からの乖離をどの程度示しているか。

主な発見

• 強力な1.8 mag以上のライマンブレイクを示すSEDから、GLASS-z10（z ≈ 10.4⁺⁰.⁴₋₀.⁵）およびGLASS-z12（z ≈ 12.4⁺⁰.¹₋₀.³）の2つの明るい銀河候補が同定された。
• これらの銀河は、絶対UV等級がM_UV ≈ -21であり、ビッグバン後300–400 Myr以内に約10⁹ M☉の星が形成済みである。
• GLASS-z10は、半光半径約0.7 kpcの明確に制約された拡張した指数的光度プロファイルを示し、z ≈ 10におけるディスク型の形態と整合的であることが示唆された。
• M_UV ≈ -21の源の観測された数密度は、log φ [Mpc⁻³ mag⁻¹] = -5.05⁺⁰.³⁷₋₀.⁴⁵であり、明るい端での標準Schechter関数からの顕著な乖離を示している。
• これらの候補の性質は、低赤方偏移の混入者とは整合せず、複数バンドで>5σの非検出を示しており、それらはこのような対象が検出されるはずである。
• これらの発見は、初期の銀河が予測よりも効率的に星を形成している可能性を示唆し、将来的なJWST調査で、予想よりも容易にこのような明るい源を発見できる可能性がある。