[论文解读] A Long Time Ago in a Galaxy Far, Far Away: A Candidate z ~ 12 Galaxy in Early JWST CEERS Imaging

Steven L. Finkelstein, Micaela B. Bagley+118 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 20

一句话总结

本论文报道在早期 JWST CEERS 成像中识别出一个鲁棒的候选星系，赤道 z ~ 12（Maisie’s Galaxy），具有强烈的多波段探测和高红移光度红移，表明在大爆炸后不足400 Myr时出现的星形成活动。

ABSTRACT

We report the discovery of a candidate galaxy with a photo-z of z~12 in the first epoch of the JWST Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey. Following conservative selection criteria we identify a source with a robust z_phot = 11.8^+0.3_-0.2 (1-sigma uncertainty) with m_F200W=27.3, and >7-sigma detections in five filters. The source is not detected at lambda < 1.4um in deep imaging from both HST and JWST, and has faint ~3-sigma detections in JWST F150W and HST F160W, which signal a Ly-alpha break near the red edge of both filters, implying z~12. This object (Maisie's Galaxy) exhibits F115W-F200W > 1.9 mag (2-sigma lower limit) with a blue continuum slope, resulting in 99.6% of the photo-z PDF favoring z > 11. All data quality images show no artifacts at the candidate's position, and independent analyses consistently find a strong preference for z > 11. Its colors are inconsistent with Galactic stars, and it is resolved (r_h = 340 +/- 14 pc). Maisie's Galaxy has log M*/Msol ~ 8.5 and is highly star-forming (log sSFR ~ -8.2 yr^-1), with a blue rest-UV color (beta ~ -2.5) indicating little dust though not extremely low metallicity. While the presence of this source is in tension with most predictions, it agrees with empirical extrapolations assuming UV luminosity functions which smoothly decline with increasing redshift. Should followup spectroscopy validate this redshift, our Universe was already aglow with galaxies less than 400 Myr after the Big Bang.

研究动机与目标

• 研究 JWST CEERS 成像是否能够揭示 z > 11 的星系，从而约束早期星形成和宇宙星形成率密度（SFRD）
• 使用保守的光度测量准则和多重一致性检查来识别并筛选鲁棒的高红移星系候选者
• 表征 z > 11 候选星系的物理属性（恒星质量、sSFR、静态-UV 色指数）以评估其在早期星系演化中的地位

提出的方法

• 使用修订后的 JWST 流水线处理四个 CEERS NIRCam 指向并加入自定义步骤以去除伪影与 1/f 噪声
• 使用七个波段在小 Kron 窗（带有来自模拟的孔径修正）下构建 PSF 匹配的光度测量
• 使用扩展模板集（包括来自 BPASS 的带有星云发射的蓝色高-z 模板）通过 EAZY 估计光度红移
• 基于完整的 z PDFs 进行保守的多准则颜色与信噪比筛选，以选取鲁棒的 z > 11 候选者

实验结果

研究问题

• RQ1 JWST CEERS 成像是否能够识别 z > 11 的鲁棒星系候选，接近 z ~ 12 的区域？
• RQ2 z > 11 候选星系的物理属性（质量、sSFR、UV 斜率）是否符合 UV 光度函数的外推？
• RQ3 光度红移 PDF 与颜色选择是否有效地将高-z 源与低-z 搭错源和恒星区分开来？
• RQ4 观测到的 z > 11 人群与宇宙星形成率密度演化和模拟的预测相比如何？

主要发现

• 具有 photometric redshift zphot = 11.8+0.3−0.2 与 mF200W = 27.3 的源在五个滤波中检测到的信噪比≥7σ，结果鲁棒
• 在深层 HST 与 JWST 成像中，波长短于 1.4 μm 的未检测，在 F150W 与 F160W 中有约 3σ 的微弱探测，指示 Lyα 截断在 z ~ 12 附近
• 该星系（Maisie’s Galaxy）具有 log(M*/M⊙) ~ 8.5，且高度恒星形成，log(sSFR) ~ −8.2 yr−1，静态-UV 颜色偏蓝，β ~ −2.5
• z > 11 的解释得到 99.6% 的 photo-z PDF 支持，颜色与银河恒星不一致且源已分辨（rh ≈ 340 pc）
• 这些发现与 UV 光度函数的经验外推在红移增加时的平滑下降总体一致，尽管与某些理论预测存在矛盾。