[论文解读] FOREVER22: the first bright galaxies with population III stars at redshifts $z \simeq 10-20$ and comparisons with JWST data

Hidenobu Yajima, Makito Abe+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 6

一句话总结

本研究利用高分辨率宇宙学模拟（FOREVER22）模拟了红移 z ≈ 10–20 时第一代星系的形成，结果表明大质量晕（M_h > 10^10 M☉）中存在强烈的星暴，星形成速率（SFR）超过 10 M☉/yr，且在 M_star ~ 10^7 M☉ 的星系中，第三星族恒星对紫外辐射通量的贡献约为百分之几。模拟结果再现了红移 z ~ 10–14 时 JWST 观测到的星系性质，但未能匹配红移 z ~ 16 候选星系的极端星形成速率和质量，提示未来观测可能探测到质量 M_star < 10^5 M☉ 且 β ≲ -3 的第三星族主导星系。

ABSTRACT

We study the formation of the first galaxies in overdense regions modelled by the FORmation and EVolution of galaxies in Extremely overdense Regions motivated by SSA22 (FOREVER22) simulation project. Our simulations successfully reproduce the star formation rates and the $M_{ m UV}-M_{ m star}$ relations of candidate galaxies at $z \sim 10-14$ observed by the James Webb Space Telescope (JWST). We suggest that the observed galaxies are hosted by dark-matter haloes with $M_{ m h} \gtrsim 10^{10}~{ m M_{\odot}}$ and are in short-period starburst phases. On the other hand, even simulated massive galaxies in overdense regions cannot reproduce the intense star formation rates and the large stellar masses of observed candidates at $z \sim 16$. Also, we show that the contribution of population III stars to the UV flux decreases as the stellar mass increases and it is a few percent for galaxies with $M_{ m star} \sim 10^{7}~{ m M_{\odot}}$. Therefore, a part of the observed flux by JWST could be the light from population III stars. Our simulations suggest that the UV flux can be dominated by population III stars and the UV-slope shows $β\lesssim -3$ if future observations would reach galaxies with $M_{ m stars} \sim 10^{5}~{ m M_{\odot}}$ at $z \sim 20$ of which the mass fraction of population III stars can be greater than 10 percent.

研究动机与目标

• 利用高分辨率宇宙学模拟，研究极端高密度区在 z ≈ 10–20 时第一代星系的形成过程。
• 探究第三星族恒星在塑造高红移星系紫外特性与光谱能量分布（SED）中的作用。
• 将模拟得到的星系性质与 JWST 在 z ≈ 10–16 时观测到的紫外星等、星形成速率（SFR）和紫外谱斜率进行比较。
• 确定第三星族恒星在早期星系中主导紫外通量的条件。
• 评估当前模拟在重现 z ≈ 16 时最极端观测候选星系方面的局限性。

提出的方法

• 利用 FOREVER22 项目框架，开展高分辨率 N体与流体动力学模拟，研究极端高密度区中星系的形成过程。
• 追踪在小质量晕（M_h ~ 10^6–10^8 M☉）中形成的第三星族恒星及其反馈，以及在大质量晕（M_h > 10^10 M☉）中向第二星族恒星形成的过渡过程。
• 实施辐射反馈与超新星反馈模型，模拟气体演化、金属丰度增强及恒星形成效率的变化。
• 基于包含第三星族与第二星族恒星贡献的合成 SED，计算紫外星等（M_UV）、恒星质量（M_star）、星形成速率（SFR）和紫外谱斜率（β）。
• 利用 SED 与 z ≈ 10–16 时 JWST 候选星系的观测数据进行比较，重点关注 M_UV–M_star 关系与 β 值。
• 通过质量-光度比与金属丰度阈值，评估第三星族恒星对紫外通量的贡献随恒星质量与红移的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 模拟能否再现 JWST 在 z ≈ 10–14 时探测到的高红移星系的紫外星等与星形成速率？
• RQ2 第三星族恒星对早期星系紫外通量的贡献是多少？其随恒星质量与红移如何变化？
• RQ3 为何高密度区中的大质量星系无法再现 JWST 在 z ≈ 16 时探测到的极端星形成速率与恒星质量？
• RQ4 在何种条件下，紫外谱斜率（β）会变得极蓝（β ≲ -3），表明存在显著的第三星族恒星贡献？
• RQ5 当前与未来望远镜在 z ≈ 20 时可探测到第三星族主导星系的预测可能性如何？

主要发现

• 在高密度区模拟的星系成功再现了 z ≈ 10–14 时观测到的 JWST 候选星系的 M_UV–M_star 关系与星形成速率。
• 恒星质量 M_star ≳ 10^8 M☉ 的星系紫外星等 ≲ -18 等，可在合理积分时间内被 JWST 探测到。
• 在 M_star ~ 10^7 M☉ 的星系中，第三星族恒星对紫外通量的贡献约为 3%，且随恒星质量增加而减少。
• 在 M_star ≲ 10^5 M☉ 的星系中，存在显著比例（>10%）的第三星族恒星，此时紫外通量可能由第三星族主导。
• 在 z ≤ 14 的星系中，2 μm 波段的紫外通量 > 10 nJy，使其在可行积分时间内可被 JWST 观测到。
• 在 z ~ 20 时，M_star ~ 10^5 M☉ 的星系预测具有 β ≲ -3 的紫外谱斜率，表明其为极年轻或第三星族主导系统。