[论文解读] A core in a star-forming disc as evidence of inside-out growth in the early Universe

William Baker, Sandro Tacchella+37 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究展示了JADES-GS+53.18343-27.79097，一个红移z ≈ 7.43的高红移星暴星系，其表现出一个紧凑的核心（半光半径144 pc）和一个更扩展的星形成盘（468 pc），且具有截然不同的恒星形成历史。向外围递增的比恒星形成率提供了早期宇宙中自内而外生长的首个直接证据，支持再电离时代分层星系形成模型。

ABSTRACT

The physical processes that establish the morphological evolution and the structural diversity of galaxies are key unknowns in extragalactic astrophysics. Here we report the finding of the morphologically-mature galaxy JADES-GS+53.18343-27.79097, which existed within the first 700 million years of the Universe's history. This star-forming galaxy with a stellar mass of 400 million solar masses consists of three components, a highly-compact core with a half-light radius of less than 100 pc, an actively star-forming disc with a radius of about 400 pc, and a star-forming clump, which all show distinctive star-formation histories. The central stellar mass density of this galaxy is within a factor of two of the most massive present-day ellipticals, while being globally 1000 times less massive. The radial profile of the specific star-formation rate is rising toward the outskirts. This evidence suggests the first detection of inside-out growth of a galaxy as a proto-bulge and a star-forming disc in the Epoch of Reionization.

研究动机与目标

• 研究再电离时代高红移星系的结构与恒星形成特性。
• 确定形态演化与自内而外生长是否已在宇宙黎明时期开始。
• 检验本地星系中观察到的结构多样性是否可追溯至早期形成过程。
• 约束反馈与气体流入在塑造早期星系结构中的作用。

提出的方法

• 利用深度JWST/NIRSpec光谱与成像，对JADES-GS+53.18343-27.79097的恒星与电离气体组分进行空间分辨。
• 应用尘埃修正的发射线诊断（BPT图）以区分恒星形成与活动星系核（AGN）活动。
• 采用Prospector与FSPS进行SED拟合，推导恒星质量、恒星形成历史及星族参数。
• 通过高分辨率测光测量半光半径与Sérsic指数，以表征紧凑核心与扩展盘。
• 分析比恒星形成率的径向分布，以评估生长模式。
• 使用动力学建模与光度去卷积技术，在源混合情况下解析结构组分。

Figure 1: Upper left panel: A red-green-blue (F444W-F410M-F277W) image of the galaxy, where the central core and disc are prominent. A 1-kpc size bar (corresponding to 0.19 arcsec), the F444W PSF and the position of the NIRSpec slit are overplotted. Upper right panel: the total radial (azimuthally a

实验结果

研究问题

• RQ1 在z ≈ 7.43处，是否存在一个致密的紧凑核心，表明其在早期即已达到结构成熟？
• RQ2 该星系的比恒星形成率是否随径向向外而增加，如自内而外生长模型所预测？
• RQ3 所观测到的形态与恒星形成历史是否可仅由恒星形成解释，还是需要AGN活动？
• RQ4 尽管总质量较低，该核心的恒星质量密度与现今的巨型椭圆星系相比如何？
• RQ5 反馈过程与气体流入在多大程度上调控了早期星系的生长？

主要发现

• 星系JADES-GS+53.18343-27.79097拥有一个经去卷积的半光半径为144 pc的紧凑核心，Sérsic指数为2.5，表明其为经典恒星系统。
• 尽管该星系总质量仅为10^8.6倍太阳质量，其核心的恒星质量密度与现今最重的椭圆星系在同一数量级内（相差约两倍）。
• 该星系表现出一个半径为468 pc的强烈星形成盘，其恒星形成历史与核心截然不同。
• 比恒星形成率的径向分布随向外而增加，提供了自内而外生长的直接证据。
• 发射线诊断（BPT图与R2/R3比率）证实电离气体发射与恒星形成一致，而非AGN活动。
• 该星系的结构与动力学特性与分层星系形成模型一致，即高角动量气体随时间沉积分层形成扩展盘。

Figure 2: Spectral energy distribution (SED) fits for the disc (upper left), core (upper right), and clump (lower left) components. The yellow points show the photometry inferred from the ForcePho modelling, while the 2 $\sigma$ upper limits are indicated as downward pointing arrows. The open square