[论文解读] A Comprehensive Study on Galaxies at z~9-16 Found in the Early JWST Data: UV Luminosity Functions and Cosmic Star-Formation History at the Pre-Reionization Epoch

Yuichi Harikane, Masami Ouchi+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 22

一句话总结

该论文从早期 JWST NIRCam 数据中提取了 z~9-16 的23个 dropout 银河样本，推导 UV 光度函数和宇宙星形成历史，并讨论对再电离前星形成的影响。

ABSTRACT

We conduct a comprehensive study on dropout galaxy candidates at $z\sim9-16$ using the first 90 arcmin$^2$ JWST/NIRCam images taken by the early release observations (ERO) and early release science (ERS) programs. With the JWST simulation images, we find that a number of foreground interlopers are selected with a weak photo-$z$ determination ($Δχ^2>4$). We thus carefully apply a secure photo-$z$ selection criterion ($Δχ^2>9$) and conventional color criteria with confirmations of the ERO NIRSpec spectroscopic redshifts, and obtain a total of 23 dropout galaxies at $z\sim9-16$, including two candidates at $z_\mathrm{phot}=16.25_{-0.46}^{+0.24}$ and $16.41_{-0.55}^{+0.66}$. We perform thorough comparisons of dropout galaxies found in our work with recent JWST studies, and conclude that our galaxy sample is reliable enough for statistical analyses. We derive the UV luminosity functions at $z\sim9-16$, and confirm that our UV luminosity functions at $z\sim 9$ and $12$ agree with those determined by other HST and JWST studies. The cosmic star-formation rate density decreases from $z\sim9$ to $12$, and perhaps to $16$, but the densities at $z\sim12-16$ are higher than the constant star formation efficiency model. Interestingly, there are six bright galaxy candidates at $z\sim10-16$ with $M_\mathrm{UV}<-19.5$ mag and $M_*\sim10^{8-9} M_\odot$. Because a majority ($\sim80$\%) of these galaxies show no signatures of AGNs in their morphologies, the high cosmic star-formation rate densities and the existence of these UV-luminous galaxies are explained by no suppression of star-formation by the UV background radiation at the pre-reionization epoch and/or an efficient UV radiation production by a top-heavy IMF with Population III-like star formation.

研究动机与目标

• 使用早期 JWST NIRCam 数据表征 z~9-16 的 dropout 星系候选体。
• 推导 z~9-16 的 UV 光度函数，并与先前的 HST/JWST 结果进行比较。
• 估计宇宙星形成率密度并与模型相比。
• 评估再电离前时期的物理属性与潜在的星形成效率。

提出的方法

• 从覆盖 ERO 与 ERS 领域的 JWST NIRCam 数据构建总计 ~90 arcmin^2 的多波段目录。
• 应用带有颜色准则的安全 dropout 选择和 PSF 匹配光度测量以识别 F115W、F150W 和 F200W 的 dropout。
• 使用 Prospector 进行 SED 拟合以获取光度 redshift，并强制 Delta chi^2 > 9，以将高-z 解与低-z 交叉污染分离。
• 与可用的 NIRSpec 红移以及经过模拟的 JWST 数据进行交叉验证，以验证 Delta chi^2 阈值和样本可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 JWST/NIRCam dropout 推断的在 z~9, 12, 16 的 rest-frame UV 光度函数是多少？
• RQ2 在再电离前时期，z~9 到 z~16 的宇宙星形成率密度如何演化？
• RQ3 在 z~10-16 是否存在 UV 明亮、质量较大的星系，与在 UV 背景下的高效星形成相一致？
• RQ4 JWST 推导的结果是否与恒定星形成效率模型一致或挑战？

主要发现

• 识别出 z~9-16 的 23 个 dropout 银河的安全样本，其中包含 z_phot ≈ 16.25 和 16.41 的两个候选体。
• z~9 和 z~12 的 UV 光度函数与其他 HST 与 JWST 研究确定的结果一致。
• 宇宙星形成率密度从 z~9 下降至 z~12，甚至到 z~16，在 z~12-16 的密度高于恒定星形成效率模型。
• 在 z~10-16 有六个明亮候选体，M_UV < -19.5 mag 且 M_* ~ 10^8-10^9 Msun，大多数在形态上未显示 AGN 征兆。
• 结果暗示在再电离前时期没有被 UV 背景辐射抑制星形成，和/或由顶重 IMF 的 Population III 类星形成导致高效 UV 产出。
• 该研究通过与其他 JWST 研究的比较及可用的光谱红移进行交叉验证，证明可靠性。