[论文解读] COSMOS-Web: Intrinsically Luminous z$\gtrsim$10 Galaxy Candidates Test Early Stellar Mass Assembly

Caitlin M. Casey, Hollis B. Akins+40 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用 10

一句话总结

论文报告在COSMOS-Web的JWST/NIRCam成像前0.28平方度中发现15个极为明亮的z>10星系候选体，其中12个很可能是真实的高红移源，3个可能是低z污染者，暗示早期巨大的恒星库和快速的恒星形成。

ABSTRACT

We report the discovery of 15 exceptionally luminous $10\lesssim z\lesssim14$ candidate galaxies discovered in the first 0.28 deg$^2$ of JWST/NIRCam imaging from the COSMOS-Web Survey. These sources span rest-frame UV magnitudes of $-20.5>M_{ m UV}>-22$, and thus constitute the most intrinsically luminous $z\gtrsim10$ candidates identified by JWST to-date. Selected via NIRCam imaging with Hubble ACS/F814W, deep ground-based observations corroborate their detection and help significantly constrain their photometric redshifts. We analyze their spectral energy distributions using multiple open-source codes and evaluate the probability of low-redshift solutions; we conclude that 12/15 (80%) are likely genuine $z\gtrsim10$ sources and 3/15 (20%) likely low-redshift contaminants. Three of our $z\sim12$ candidates push the limits of early stellar mass assembly: they have estimated stellar masses $\sim5 imes10^{9}\,M_\odot$, implying an effective stellar baryon fraction of $ε_{\star}\sim0.2-0.5$, where $ε_{\star}\equiv M_{\star}/(f_{b}M_{halo})$. The assembly of such stellar reservoirs is made possible due to rapid, burst-driven star formation on timescales $<$100\,Myr where the star-formation rate may far outpace the growth of the underlying dark matter halos. This is supported by the similar volume densities inferred for $M_\star\sim10^{10}\,M_\odot$ galaxies relative to $M_\star\sim10^{9}\,M_\odot$ -- both about $10^{-6}$ Mpc$^{-3}$ -- implying they live in halos of comparable mass. At such high redshifts, the duty cycle for starbursts would be of order unity, which could cause the observed change in the shape of the UVLF from a double powerlaw to Schechter at $z\approx8$. Spectroscopic redshift confirmation and ensuing constraints of their masses will be critical to understanding how, and if, such early massive galaxies push the limits of galaxy formation in $Λ$CDM.

研究动机与目标

• 利用 JWST 数据在再电离时期寻找本征高光度星系的动机。
• 表征 COSMOS-Web 中最亮的 z>10 星系候选体并评估它们的红移鲁棒性。
• 估计物理属性（恒星质量、SFR、UV 光度）以检验早期恒星质量组装情景。
• 评估低红移污染者的可能性及其对 z>10 UV 光度函数的影响。

提出的方法

• 组装一个多波段光度目录，将 JWST NIRCam 数据与 HST、Subaru/HSC、UltraVISTA 以及 Spitzer COSMOS 数据整合。
• 在 PSF 统一的图像上执行基于模型的光度测量（SourceXtractor++ SE++）和孔径光度测量（SE classic）。
• 使用多种代码（EAzY、LePhare、Bagpipes）对光谱能量分布进行拟合，采用 FSPS 模板和变体 Lyα 实现。
• 使用平坦红移先验（0<z<20），通过对每个代码采用替代先验和模板集来评估低-z 解。
• 用归一化的卡方、Delta chi-squared 标准以及跨代码比较来量化拟合优度，以识别稳健的 z>10 候选体。
• 交叉核对棕矮星污染并确保有空间上分辨的检测以支持星系外来源的性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 在第一版 COSMOS-Web 数据发布中可以识别出多少个本征高光度的 z>10 星系候选体？
• RQ2 这些候选体的红移概率及对低-z 解的鲁棒性如何？
• RQ3 亮度较高的 z>10 候选体的推导物理性质（M*, SFR, MUV, β, AV）为何，它们是否暗示早期恒星质量的快速组装？
• RQ4 在明亮的 z>10 样本中，低-redshift 拦截者的估计污染率是多少？

主要发现

• 在 0.28 deg2 中识别出 15 个亮度极高的 z>∼10 星系候选体，静止系 UV 光度在约 −21 到 −22 之间。
• 在这 15 个候选体中，12 个很可能是真正的 z>10 源，而 3 个是可能的低红移污染者。
• 三个 z∼12 的候选体拥有约 5×10^9 M⊙ 的恒星质量，意味着有效恒星重子分数 ε★ 约为 0.2–0.5。
• 推断的快速、爆发式恒星形成可以在小于 100 Myr 的时间尺度内产生可能超过暗晕增长的 SFR，提前形成 substantial 恒星库。
• M★∼10^10 M⊙ 与 M★∼10^9 M⊙ 星系的体积密度相近（~10^−6 Mpc^−3），表明宿主晕质量相当且高红移星暴的工作循环几乎趋近于单位。
• 光谱学确认和精确的 mass assembly 约束对于评估此类高质量系统是否逼近 ΛCDM 星系形成的极限至关重要。