[论文解读] Enhanced Sub-kpc Scale Star-formation: Results From A JWST Size Analysis of 341 Galaxies At 5

Takahiro Morishita, M. Stiavelli+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）第一周期观测场的深度近红外相机（NIRCam）成像与光谱数据，分析了341个高红移星系（5 < z < 14），揭示了星系大小随红移缓慢演化，识别出大量紧凑、亚千秒差距尺度的星暴星系，其恒星形成表面密度极高（>10 M☉ yr⁻¹ kpc⁻²），表明早期宇宙中存在强烈的恒星形成活动，且未发现类星体反馈的证据。

ABSTRACT

We present a comprehensive search and analysis of high-redshift galaxies in a suite of nine public JWST extragalactic fields taken in Cycle 1, covering a total effective search area of $\sim358{ m arcmin^2}$. Through conservative ($8σ$) photometric selection, we identify 341 galaxies at $51.5\,σ$ below the derived size-mass slope. These compact sources exhibit a high star formation surface density $Σ_{ m SFR}&gt;10\,M_\odot\,{ m yr^{-1}\,kpc^{-2}}$, a range in which only $&lt;0.01\,\%$ of the local star-forming galaxy sample is found. For those with available NIRSpec data, no evidence of ongoing supermassive black hole accretion is observed. A potential explanation for the observed high [OIII]-to-Hbeta ratios could be high shock velocities, likely originating within intense star-forming regions characterized by high $Σ_{ m SFR}$. Lastly, we find that the rest-frame UV and optical sizes of our sample are comparable. Our results are consistent with these early galaxies building up their structures inside-out and yet to exhibit the strong color gradient seen at lower redshift.

研究动机与目标

• 利用JWST数据表征高红移星系（5 < z < 14）在rest-frame紫外波段的大小-恒星质量关系。
• 研究z > 5宇宙早期星系大小随宇宙时空中演化的情况，特别是大小增长速率。
• 识别并分析具有极高恒星形成表面密度的紧凑、亚千秒差距尺度星暴星系。
• 评估恒星形成与反馈过程在塑造早期星系结构中的作用，尤其在无类星体活动参与的情况下。
• 检验早期星系是否表现出典型低红移系统所具有的颜色梯度或结构特征。

提出的方法

• 在九个公开的JWST河外场中，通过保守的光度选择（8σ）识别出341个星系，覆盖约358平方角分的天区。
• 利用NIRCam提供的rest-frame紫外与光学光度测量样本的有效半径（Reff）与恒星质量（M*）。
• 应用回归分析，推导出Reff ∝ M*^0.19±0.03的大小-质量关系及大小-红移演化关系（Reff ∝ (1+z)^-0.4±0.2）。
• 通过残差分析识别紧凑源，将位于大小-质量关系下方1.5σ以上的源标记为异常（占样本的13%）。
• 利用紫外光度与有效半径评估恒星形成表面密度（ΣSFR），并与本地星系样本进行比较。
• 分析可用的NIRSpec光谱数据，搜索类星体特征（如高电离谱线），并评估[O iii]/Hβ比值以判断其源于激波还是星暴活动。

Figure 1: Radial flux profiles of webbpsf with various $\sigma_{\rm jitter}$ values (dashed lines) generated for the JADESGDS F115W image, where the adopted profile ( $\sigma_{\rm jitter}=0.022$ ) is color-coded in cyan. The profile of an example bright star taken from the image is shown for compari

实验结果

研究问题

• RQ1 5 < z < 14红移区星系的rest-frame紫外大小-恒星质量关系与低红移星系群体相比如何？
• RQ2 高红移星系在宇宙时空中大小演化的速率如何？与先前文献估计相比有何差异？
• RQ3 高红移星系中具有紧凑结构（亚千秒差距尺度）且表现出极高恒星形成表面密度的星系占多大比例？
• RQ4 在最紧凑、高恒星形成率的星系中，是否存在活动星系核（AGN）活动的证据？
• RQ5 什么物理机制可解释部分紧凑、高恒星形成率星系中观测到的高[O iii]/Hβ谱线比值？

主要发现

• 高红移星暴星系的大小-恒星质量关系符合Reff ∝ M*^0.19±0.03，与z ~ 3星暴星系关系相似，但尺寸整体小约0.7 dex。
• 大小演化速率比以往认为的更缓慢，表现为Reff ∝ (1+z)^-0.4±0.2，表明在5 < z < 14红移范围内星系大小增长极小。
• 样本中约13%为紧凑源，其有效半径小于100 pc，位于大小-质量关系下方1.5σ以上。
• 这些紧凑星系表现出极高的恒星形成表面密度（ΣSFR > 10 M☉ yr⁻¹ kpc⁻²），该密度在本地星暴星系中仅见于不到0.01%的星系。
• 在有可用NIRSpec数据的紧凑星系中，未发现超大质量黑洞吸积活动的证据。
• 部分紧凑星系中观测到的高[O iii]/Hβ比值可能由强烈恒星形成引发的高速激波驱动，而非类星体活动所致。

Figure 2: Sample distribution in the star formation rate–stellar mass plane (circles). Those with spectroscopic redshift (blue square) and flagged as compact (magenta; Sec 4.4 ) are marked accordingly. Those flagged in galfit results (Sec. 3.3 ) are shown by open symbols. The SFMS slope at $z=5$ (bl