[论文解读] Early results from GLASS-JWST. XI: Stellar masses and mass-to-light ratio of z>7 galaxies

P. Santini, A. Fontana+27 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 7

一句话总结

本研究利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）GLASS-JWST计划的早期NIRCam数据，以前所未有的精度测量了红移z > 7星系的恒星质量，揭示了紫外波段质量-光度比（M/L）存在100倍的范围。结果表明，以往基于平均质量-光度比估算的宇宙恒星质量密度可能产生高达约6倍的偏差，凸显了在高红移下对单个天体进行质量测量的迫切需求。

ABSTRACT

We exploit James Webb Space Telescope (JWST) NIRCam observations from the GLASS-JWST-Early Release Science program to investigate galaxy stellar masses at z>7. We first show that JWST observations reduce the uncertainties on the stellar mass by a factor of at least 5-10, when compared with the highest quality data sets available to date. We then study the UV mass-to-light ratio, finding that galaxies exhibit a two orders of magnitude range of M/L_UV values for a given luminosity, indicative of a broad variety of physical conditions and star formation histories. As a consequence, previous estimates of the cosmic star stellar mass density - based on an average correlation between UV luminosity and stellar mass - can be biased by as much as a factor of ~6. Our first exploration demonstrates that JWST represents a new era in our understanding of stellar masses at z>7, and therefore of the growth of galaxies prior to cosmic reionization.

研究动机与目标

• 利用JWST的Rest-frame光学波段测光数据测量高红移星系（z > 7）的恒星质量，克服以往仅依赖紫外波段方法的局限性。
• 评估z > 7星系中紫外波段质量-光度比（M/L）的离散程度，并评估其对宇宙恒星质量密度（SMD）估算的影响。
• 量化在早期星系演化研究中，假设单一平均M/L比值所引入的系统性不确定度。
• 展示JWST在测量z > 7星系恒星质量方面的变革性影响，首次实现直接、高精度的质量估算。
• 通过表征当前间接方法的局限性，为未来更全面的高红移星系形成研究奠定基础。

提出的方法

• 利用JWST NIRCam早期释放科学观测数据，来自GLASS-JWST计划，获取z > 7星系候选体的Rest-frame光学与近红外波段测光数据。
• 应用星族合成模型对多波段测光数据进行拟合，推导出个体星系的恒星质量，显著降低了与以往方法相比的不确定性。
• 将直接测得的恒星质量与基于紫外光度和文献中质量-光度关系或样本自身平均M/L比值的间接估算结果进行比较。
• 直接从测得的质量和间接从紫外光度计算宇宙恒星质量密度（SMD），并传播质量不确定性以确定误差范围。
• 评估在红移区间（6.9 < z < 8.5 和 8.5 < z < 12.1）内，直接与间接SMD估算之间的差异，识别出M/L离散度是主要不确定性来源。
• 使用MAST档案库（DOI: 10.17909/fqaq-p393）访问并分析JWST数据，数据归属项目JWST-ERS-1324。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用JWST的Rest-frame光学测光数据测量时，z > 7星系的紫外波段质量-光度比（M/L）范围是多少？
• RQ2 JWST直接测得的恒星质量与基于紫外光度和平均M/L比值的间接估算结果相比如何？
• RQ3 在z > 7红移下，假设M/L比值恒定会多大程度上在宇宙恒星质量密度（SMD）估算中引入系统性偏差？
• RQ4 M/L比值的离散度在多大程度上影响了基于紫外光度函数推导的SMD测量的可靠性？
• RQ5 在高红移下，使用样本特定的M/L比值与使用文献中的关系相比，对SMD推断有何影响？

主要发现

• 与以往最佳数据集相比，JWST NIRCam观测将z > 7星系的恒星质量不确定性降低了至少5至10倍。
• z > 7星系的紫外波段质量-光度比（M/L）跨度达100倍（两个数量级），表明其物理条件和恒星形成历史存在广泛多样性。
• 以往基于平均M/L比值估算的宇宙恒星质量密度（SMD）可能因M/L离散度而产生高达约6倍的偏差。
• 即使使用同一组样本测得的平均M/L，也未必能准确复现直接测量的SMD，具体取决于红移区间和源的分布情况。
• 直接与间接SMD估算之间的差异主要由M/L离散度引起，而非测量误差，凸显了在高红移研究中使用平均M/L的局限性。
• 本研究确立了JWST开启了高红移星系质量测量的新时代，首次实现了直接、高精度的恒星质量估算。