[论文解读] An extremely compact, low-mass post-starburst galaxy at $z=5.2$

Victoria Strait, Gabriel Brammer+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的NIRSpec和NIRCam数据，发现了红移z=5.2处的一个高度紧凑、低质量的后星爆星系MACS0417-z5PSB。其恒星质量为4.3×10⁷ M☉，静止系紫外半光半径为30±7 pc，显示出近期星形成爆发后迅速下降的特征，表明其正处于熄灭过程中，极有可能由内部反馈而非环境过程或活动星系核（AGN）活动引起。

ABSTRACT

We report the discovery of a low-mass $z=5.200\pm 0.002$ galaxy that is in the process of ceasing its star formation. The galaxy, MACS0417-z5PSB, is multiply imaged with magnification factors $\sim40$ by the galaxy cluster MACS J0417.5-1154, observed as part of the CAnadian NIRISS Unbiased Cluster Survey (CANUCS). Using observations of MACS0417-z5PSB with a JWST/NIRSpec Prism spectrum and NIRCam imaging, we investigate the mechanism responsible for the cessation of star formation of the galaxy, and speculate about possibilities for its future. Using spectrophotometric fitting, we find a remarkably low stellar mass of $ m{M_*}=4.3\pm^{0.9}_{0.8} imes 10^{7} m{M_{\odot}}$, less than 1% of the characteristic stellar mass at $z\sim5$. We measure a de-lensed rest-UV half-light radius in the source plane of $30\pm^{7}_{5}$ pc, and measure a star formation rate from H$α$ of $0.14\pm^{0.17}_{0.12}$ $ m{M_{\odot}/yr}$. We find that under the assumption of a double power law star formation history, MACS0417-z5PSB has seen a recent rise in star formation, peaking $\sim10-30$ Myr ago and declining precipitously since then. Together, these measurements reveal a low-mass, extremely compact galaxy which is in the process of ceasing star formation. We investigate the possibilities of mechanisms that have led to the cessation of star formation in MACS0417-z5PSB, considering stellar and AGN feedback, and environmental processes. We can likely rule out an AGN and most environmental processes, but leave open the possibility that MACS0417-z5PSB could be a star forming galaxy in the lull of a bursty star formation history.

研究动机与目标

• 识别并表征一个罕见的、低质量的、紧凑的后星爆星系（z≈5.2），以理解早期熄灭机制。
• 利用高分辨率JWST光谱和成像，确定MACS0417-z5PSB的星形成历史及其物理特性。
• 探究导致其向宁静状态转变的熄灭机制——是内部反馈、环境过程还是随机星形成？
• 评估其对星系演化模型的影响，特别是关于紧凑宁静星系的形成以及恒星反馈在早期大质量系统中所起的作用。

提出的方法

• 利用JWST/NIRSpec棱镜光谱测量Hα发射线和巴尔末吸收线，以估算星形成速率和恒星种群年龄。
• 采用双幂律星形成历史的光谱测光拟合方法，模拟该星系的形成与熄灭时间线。
• 利用MACS J0417.5-1154的强引力透镜效应放大该星系，实现对其紧凑结构的高分辨率观测。
• 执行去透镜化处理，从多重像成分中恢复其本征物理属性，包括静止系紫外尺寸和恒星质量。
• 将观测结果与模拟及理论模型对比，排除AGN反馈和环境熄灭机制（如激波压力、扰动作用）的可能性。
• 利用ALMA [CII]数据和星族统计评估未来通过气体吸积或并合实现重新激活的可能性。

Figure 1: JWST/NIRCam images of MACS0417-z5PSB and nearby system from Asada et al. ( 2022 ) . From left to right: F090W, F200W, F444W, and RGB (red: F356W+F410M+F444W, green: F200W+F277W+F356W, blue: F090W+F115W+F150W) image of MACS0417-z5PSB. All images have 40mas pixels, are non-PSF-homogenized. F

实验结果

研究问题

• RQ1 MACS0417-z5PSB的星形成历史如何？其近期爆发及随后的下降发生在何时？
• RQ2 是什么物理机制导致了该低质量、紧凑星系在z=5.2处的星形成熄灭？
• RQ3 MACS0417-z5PSB所表现出的极端紧凑性和低恒星质量如何挑战现有宁静星系形成模型？
• RQ4 该星系是否可能处于爆发式星形成历史的暂时休止期，而非永久性熄灭？
• RQ5 在如此低质量的系统中，恒星反馈或暗物质晕势阱在维持宁静状态方面起到何种作用？

主要发现

• 该星系的恒星质量为4.3±0.9/0.8×10⁷ M☉，小于z≈5时特征质量的1%，是目前在该红移下观测到的最低质量宁静星系之一。
• 在源平面中，其静止系紫外半光半径为30±7/5 pc，表明其具有极高的紧凑性与恒星面密度。
• 基于Hα测量的星形成速率为0.14±0.17/0.12 M☉/yr，与近期短暂爆发后迅速下降的特征一致。
• 光谱建模表明，其星形成在10–30 Myr前达到峰值，随后迅速熄灭，表明其正处于后星爆阶段。
• 由于缺乏宽发射线且附近无大质量结构，AGN反馈和环境熄灭（如激波压力、扰动作用）机制均不太可能。
• 该星系可能代表了紧凑宁静星系的前身，若仍残留气体，则未来可能通过气体吸积或并合实现重新激活。

Figure 2: Photometrically calibrated observed spectrum (dark gray) with 1- $\sigma$ noise (light gray), and posterior spectrum from BAGPIPES (blue) for MACS0417-z5PSB. Top panel in $f_{\lambda}$ , bottom panel in $f_{\nu}$ . Emission lines labeled in green. Inset is a zoomed-in version of the spectr