[论文解读] A population of red candidate massive galaxies ~600 Myr after the Big Bang

Ivo Labbé, Pieter van Dokkum+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 36

一句话总结

使用 JWST CEERS NIRCam 数据，该研究在 z ~ 7.4–9.1 发现六个候选大质量（M* > 1e10 Msun）的红色星系（可能高达 ~1e11 Msun），暗示早期宇宙的质量密度高于预期。

ABSTRACT

Galaxies with stellar masses as high as $\sim 10^{11}$ solar masses have been identified out to redshifts $z \sim 6$, approximately one billion years after the Big Bang. It has been difficult to find massive galaxies at even earlier times, as the Balmer break region, which is needed for accurate mass estimates, is redshifted to wavelengths beyond $2.5\mum$. Here we make use of the $1-5\mum$ coverage of the JWST early release observations to search for intrinsically red galaxies in the first ~750 million years of cosmic history. In the survey area, we find six candidate massive galaxies (stellar mass $>10^{10}$ solar masses) at $7.4 < z < 9.1$, 500 - 700 Myr after the Big Bang, including one galaxy with a possible stellar mass of $\sim 10^{11}$ solar masses. If verified with spectroscopy, the stellar mass density in massive galaxies would be much higher than anticipated from previous studies based on rest-frame ultraviolet-selected samples.

研究动机与目标

• 动机：利用 JWST 的 1–5 μm 覆盖，在大爆炸后前约 7.5 亿年内寻找本质上红色、质量巨大的星系。
• 通过跨越 Lyman 与 Balmer 突变的双断裂 SED 选择来识别稳健的高-z 候选对象，以约束红移和 M*/L 比率。
• 采用多种 SED 拟合方法来量化红移和恒星质量，同时考虑强烈的星云发射对观测光度的影响。
• 结合 JWST 结果评估高红移恒星质量函数及质量密度的含义。

提出的方法

• 使用 JWST/NIRCam CEERS 成像（1–5 μm），包括六个广域带和一个 410M 中谱带，检测红色、双断裂的 SED。
• 通过在光学波段不检测、蓝色 F150W–F277W < 0.7、红色 F277W–F444W > 1.0、F444W < 27 AB 的条件，经验性地选择高-z 候选对象。
• 使用 EAZY（含发射线模板）、Prospector-α 和 Bagpipes，在多种建模假设下推导红移和质量，以评估系统误差。
• 按每个星系的七个测量值取中位数来采用 fiducial 质量，并考虑可能的发射线对光度测量的贡献。
• 评估消光规律、SFH、年龄先验和光度测量不确定性对结果的影响，以测试质量的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在通过 JWST NIRCam 光度测量可以识别出的 z ≳ 7 的本质红色、巨质量星系？
• RQ2 在考虑强发射线的情况下，这些通过双断裂筛选的星系的光度红移和恒星质量是多少？
• RQ3 不同的 SED 拟合框架和建模假设如何影响推断的质量与红移？
• RQ4 这些候选星系对高红移恒星质量函数和总恒星质量密度有何影响？

主要发现

• 发现了 13 颗双断裂筛选星系；其中六颗质量 fiducial > 1e10 Msun，光度红移在 6.5 < z < 9.1。
• 最亮的星系（38094）位于 z = 7.5，可能的 M* ≈ 1e11 Msun，且可能处于一个小群体中。
• SED 拟合表明 rest-frame 光学发射线可显著影响在 Balmer 突变以后的宽带通量。
• 与 UV 选择样本相比，这些 JWST-红色星系在整个 SED 上更红，意味着更高的质-光比 (M/L) 以及潜在的更高质量。
• 质量估计对尘埃衰减规律、年龄先验和光度测量不确定性的处理敏感，在某些模型中质量可能降低多达 100 倍。
• 若得到光谱确认，z ~ 8–9 的隐含恒星质量密度将远高于先前基于 UV 的估计，挑战基于 LCDM 的标准组装。