[论文解读] Evolution of the UV LF from z~15 to z~8 Using New JWST NIRCam Medium-Band Observations over the HUDF/XDF

R. J. Bouwens, Mauro Stefanon+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 12

一句话总结

本研究利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）NIRCam中等宽带观测数据，首次对红移z~15至z~8区间内的紫外光度函数（LF）进行了约束，覆盖哈勃超深空场（HUDF）/极端深空场（XDF）区域，识别出10个高红移星系（z~8–13），其中包括两个红移z~11–12的星系。研究发现，z~12.6时紫外光度密度的演化趋势比以往研究更为平缓，尽管由于源数量较少且观测体积有限，结果仍存在较大不确定性。

ABSTRACT

We present the first constraints on the prevalence of z>10 galaxies in the Hubble Ultra Deep Field (HUDF) leveraging new NIRCam observations from JEMS (JWST Extragalactic Medium-band Survey). These NIRCam observations probe redward of 1.6$μ$m, beyond the wavelength limit of HST, allowing us to search for galaxies to z>10. These observations indicate that the highest redshift candidate identified in the HUDF09 data with HST, UDFj-39546284, has a redshift of z>11.5, as had been suggested in analyses of the HUDF12/XDF data. This has now been confirmed with JWST NIRSpec. This source is thus the most distant galaxy discovered by HST in its >30 years of operation. Additionally, we identify nine other z~8-13 candidate galaxies over the HUDF, two of which are new discoveries that appear to lie at z~11-12. We use these results to characterize the evolution of the UV luminosity function (LF) from z~15 to z~8.7. While our LF results at z~8.7 and z~10.5 are consistent with previous findings over the HUDF, our new LF estimates at z~12.6 are higher than other results in the literature, potentially pointing to a milder evolution in the UV luminosity density from z~12.6. We emphasize that our LF results are uncertain given the small number of z~12.6 sources and limited volume probed. The new NIRCam data also indicate that the faint z~8-13 galaxies in the HUDF/XDF show blue UV-continuum slopes beta~-2.7, high specific star formation rates ~24.5 Gyr**-1, and high EW (~1300A) [OIII]+H$β$ emission, with two z~8.5 sources showing [OIII]+H$β$ EWs of ~2300 A.

研究动机与目标

• 利用哈勃超深空场/极端深空场（HUDF/XDF）区域的深空JWST NIRCam中等宽带成像数据，测量从z~15到z~8的紫外光度函数（LF）演化情况。
• 通过结合最深的哈勃空间望远镜（HST）档案数据与新的红移方向扩展的JWST覆盖数据，以更高的稳健性识别并表征高红移星系（z>10）。
• 通过分析其光谱能量分布（SED）、紫外连续谱斜率、恒星形成速率及发射线特性，评估高红移星系候选者的可靠性。
• 评估LF演化对宇宙再电离及早期恒星形成效率的潜在影响。
• 检验HUDF中暗弱高红移星系是否表现出强烈的星云发射线及高比恒星形成速率。

提出的方法

• 利用JEMS巡天提供的新JWST NIRCam中等宽带测光数据（F182M、F210M、F430M、F460M、F480M），将红移方向覆盖扩展至1.6 μm以上，超越哈勃空间望远镜（HST）的极限。
• 采用EAzY和Prospector进行SED拟合，以推导光度红移、紫外连续谱斜率（β）、恒星质量及恒星形成速率。
• 应用Lyman断续选别技术识别高红移候选体，特别关注红移z>10的源。
• 利用丰度匹配法与修正的Schechter函数计算紫外LF，并对低源数统计情形进行完备性修正。
• 利用SED模板与测光约束，测量[OIII]+Hβ发射线的静止 frame 等效宽度。
• 通过蒙特卡洛模拟与贝叶斯推断评估不确定性，尤其针对暗弱源及红移高、测光覆盖有限的候选体。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于HUDF/XDF区域的新JWST观测，从z~15到z~8的紫外光度函数如何演化？
• RQ2 利用JWST NIRCam中等宽带数据在HUDF中识别出的高红移星系候选者（z>10）的稳健性如何？
• RQ3 HUDF/XDF中暗弱z~8–13星系的静止 frame 紫外特性（如β、SFR、恒星质量）是什么？
• RQ4 HUDF中的高红移星系是否表现出强烈的星云发射，特别是[OIII]+Hβ？这对它们的恒星形成历史有何启示？
• RQ5 从z~12.6到z~8，紫外光度密度如何演化？其演化趋势是否比以往报道的更为平缓？

主要发现

• 最远红移候选体UDFj-39546284被确认具有z>11.5，与先前哈勃空间望远镜（HST）及JWST NIRSpec结果一致。
• 额外识别出九个z~8–13的星系候选体，包括两个新的z~11–12源，显著扩展了红移基线。
• z~8.7与z~10.5时的紫外LF与以往基于HUDF的研究结果一致，验证了方法的可靠性。
• z~12.6时的紫外LF高于其他文献研究结果，表明从z~12.6起紫外光度密度的演化趋势更为平缓，尽管由于源数量稀少，不确定性较大。
• 暗弱z~8–13星系表现出蓝色的紫外连续谱斜率（β ~ -2.7）、极高的比恒星形成速率（~24.5 Gyr⁻¹），并在两个z~8.5源中观测到高达~2300Å的[OIII]+Hβ发射线等效宽度。
• z~8–13星系的[OIII]+Hβ等效宽度中位数约为~1300Å，表明早期星系中存在强烈的星云发射，恒星形成活动活跃。