[论文解读] COSMOS2020: The Galaxy Stellar Mass Function: the assembly and star formation cessation of galaxies at $0.2\lt z \leq 7.5$

John R. Weaver, I. Davidzon+31 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2022

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 13被引用 5

一句话总结

本论文基于覆盖1.27 deg²的深度、均匀近红外数据，从 z = 7.5 到 z = 0.2 展示了 COSMOS2020 星系恒星质量函数（SMF），揭示了在 z ≈ 2 时的下行演化（downsizing）以及在 z ≈ 2.5–5.5 期间大量质量较大、呈红色的星系，这些星系可能被尘埃遮蔽。结果挑战了标准 Schechter 函数拟合，并表明在早期宇宙中，大质量暗物质晕内的恒星形成效率更高。

ABSTRACT

How galaxies form, assemble, and cease their star-formation is a central question within the modern landscape of galaxy evolution studies. These processes are indelibly imprinted on the galaxy stellar mass function (SMF). We present constraints on the shape and evolution of the SMF, the quiescent galaxy fraction, and the cosmic stellar mass density across 90% of the history of the Universe from $z=7.5 ightarrow0.2$ via the COSMOS survey. Now with deeper and more homogeneous near-infrared coverage exploited by the COSMOS2020 catalog, we leverage the large 1.27 deg$^{2}$ effective area to improve sample statistics and understand cosmic variance particularly for rare, massive galaxies and push to higher redshifts with greater confidence and mass completeness than previous studies. We divide the total stellar mass function into star-forming and quiescent sub-samples through $NUVrJ$ color-color selection. Measurements are then fitted with Schechter functions to infer the intrinsic SMF, the evolution of its key parameters, and the cosmic stellar mass density out to $z=7.5$. We find a smooth, monotonic evolution in the galaxy SMF since $z=7.5$, in agreement with previous studies. The number density of star-forming systems seems to have undergone remarkably consistent growth spanning four decades in stellar mass from $z=7.5 ightarrow2$ whereupon high-mass systems become predominantly quiescent (i.e. downsizing). An excess of massive systems at $z\sim2.5-5.5$ with strikingly red colors, some newly identified, increase the observed number densities to the point where the SMF cannot be reconciled with a Schechter function. Systematics including cosmic variance and/or AGN contamination are unlikely to fully explain this excess, and so we speculate that there may be contributions from dust-obscured objects similar to those found in FIR surveys. (abridged)

研究动机与目标

• 测量从 z = 7.5 到 z = 0.2 的宇宙历史约 90% 期间星系恒星质量函数（SMF）的演化。
• 通过 NUVrJ 颜色-颜色选择法将 SMF 分离为恒星形成与宁静星系成分，研究星系的形成与恒星形成熄灭过程。
• 利用大范围、深度且均匀的观测区域，评估高红移、稀有大质量星系的宇宙方差与质量完整性。
• 将观测到的 SMF 演化与宇宙学模拟及暗物质晕质量函数预测进行比较。
• 识别潜在系统误差或新星系族群（如尘埃遮蔽星系），以解释与标准 SMF 模型的偏差。

提出的方法

• 利用 COSMOS2020 目录，该目录在 1.27 deg² 范围内提供深度、均匀的近红外覆盖，实现高质量完整性并减少宇宙方差影响。
• 通过 NUVrJ 颜色-颜色选择法将星系分类为恒星形成与宁静星系，以区分活跃与宁静阶段。
• 采用单组分与双组分 Schechter 函数拟合观测到的 SMF，以建模 SMF 的本征形状及其演化。
• 通过在恒星质量范围内积分 SMF 计算宇宙恒星质量密度（SMD），追踪随时间的总重子质量积累。
• 将观测到的 SMF 与 SMD 演化与最先进的宇宙学模拟及理论暗物质晕质量函数进行比较。
• 评估宇宙方差与活动星系核（AGN）污染等系统误差对高红移大质量星系观测 SMF 的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系恒星质量函数如何从 z = 7.5 平滑演化至 z = 0.2？这对星系形成与恒星形成历史有何启示？
• RQ2 在 z ≈ 2.5–5.5 时，观测到的 SMF 与 Schechter 函数的偏离程度如何？何种物理机制可解释此类偏离？
• RQ3 在 z ≈ 2.5–5.5 时观测到的大量质量较大、颜色偏红星系是否由宇宙方差或 AGN 污染等系统误差造成，还是表明存在如尘埃遮蔽星系等新星系族群？
• RQ4 在高红移时，观测到的恒星质量函数与理论暗物质晕质量函数相比如何？这对大质量晕中恒星形成效率有何启示？
• RQ5 下行演化在塑造 SMF 中起何种作用？低质量宁静星系何时完成其恒星物质的积累？

主要发现

• 星系恒星质量函数从 z = 7.5 到 z = 0.2 平滑且单调演化，星系形成星系的数密度在恒星质量跨度达四个数量级的范围内持续增长，直至 z ≈ 2。
• 在 z ≈ 2 之后，大质量星系逐渐转入宁静状态，标志着下行演化的开始；而低质量宁静星系仅在近期迅速完成其恒星物质的积累。
• 在 z ≈ 2.5–5.5 期间观测到大量质量较大、颜色异常偏红的星系，其数密度超出单个 Schechter 函数的描述能力，其中部分为新识别的星系。
• 宇宙方差或 AGN 污染等系统误差无法完全解释观测到的过剩，表明可能存在类似远红外巡天中所见的尘埃遮蔽星系族群。
• 在 z ≈ 3 至 z ≈ 6 期间，最重的星系中，恒星质量函数与暗物质晕质量函数保持持续一致，表明早期宇宙中大质量晕内恒星形成效率更高。
• 宇宙恒星质量密度（SMD）在 z = 7.5 以内得到良好约束，SMF 与以往研究一致，但因深度与面积提升，揭示了高红移的新特征。