[论文解读] Galaxy Formation and Reionization: Key Unknowns and Expected Breakthroughs by the James Webb Space Telescope

Brant Robertson|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本文在詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）发射前夕，综述了星系形成与再电离研究的现状，提出JWST将通过实现深度、高分辨率的红外巡天以及z ≈ 8–10红移处星系的红移系光学光谱学，彻底革新我们对这些领域的理解。其主要贡献在于预测JWST将完成早期星系的普查，测量其恒星形成速率、金属丰度和电离状态，并明确检验z ≈ 8–10处是否存在演化星族，从而为恒星形成延伸至z ≈ 15提供直接证据。

ABSTRACT

The scheduled launch of James Webb Space Telescope (JWST) in late 2021 marks a new start for studies of galaxy formation at high redshift z>~6 during the era of Cosmic Reionization. JWST can capture sensitive, high-resolution images and multi-object spectroscopy in the infrared that will transform our view of galaxy formation during the first billion years of cosmic history. This review summarizes our current knowledge of the role of galaxies in reionizing intergalactic hydrogen ahead of JWST, achieved through observations with Hubble Space Telescope and ground-based facilities including Keck, the Very Large Telescope, Subaru, and the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array. We identify outstanding questions in the field that JWST can address during its mission lifetime, including with the planned JWST Cycle 1 programs. (Abridged)

研究动机与目标

• 基于哈勃望远镜及地面观测（凯克望远镜、甚大望远镜、阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列）总结当前对星系形成与再电离的认知。
• 识别早期星系及其在宇宙再电离中作用的天体物理学关键未知问题。
• 概述JWST在解决高红移星系演化领域未解问题方面的变革性能力。
• 预测JWST的深度巡天与光谱学将如何实现对z ≈ 8–10红移处恒星形成、金属丰度与电离光子逃逸的确定性约束。

提出的方法

• 利用哈勃望远镜、凯克望远镜、甚大望远镜和阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列的现有测光与光谱数据，标定对高红移星系特性的当前理解。
• 建模z ≈ 6–10范围内电离光子产生、逃逸分数与光度密度的演化，以评估其对再电离的贡献。
• 评估JWST仪器（NIRCam、NIRSpec、MIRI、NIRISS）在探测与表征z > 8星系方面的灵敏度与巡天深度。
• 使用星族合成模型与电离气体发射线诊断，解释JWST预期获得的红移系光学光谱。
• 评估在z ≈ 8–10处探测演化星族的可行性，作为恒星形成延伸至z ≈ 15的证据。
• 分析多目标光谱与大视场无狭缝光谱巡天对高红移星系物理性质约束的影响。

Figure 1: Overview of universal history highlighting the epoch of reionization. After the Big Bang ( $t=0$ ), the universe expanded and cooled until electrons could recombine with protons to form neutral hydrogen ( $z\approx 1090$ at $t\approx 372,000$ yrs). During the subsequent Dark Ages, the univ

实验结果

研究问题

• RQ1 JWST是否具备足够的灵敏度与覆盖面积，可在当前红移前沿（z ≈ 8–10）完成星系形成的全面普查？
• RQ2 在z ≈ 8–9红移处，JWST的红移系光学光谱学能否提供对早期星系恒星形成速率、金属丰度与电离状态的稳健测量？
• RQ3 JWST能否明确检验z ≈ 8–10处是否存在演化星族，从而表明恒星形成延伸至z ≈ 15？
• RQ4 在高红移处，Lyman连续谱光子的逃逸分数如何随星族金属丰度与恒星形成效率等星系属性演化？
• RQ5 在z > 10处发现极其明亮、遥远星系，将在多大程度上改变我们对明亮星系与暗淡星系在宇宙再电离中相对重要性的理解？

主要发现

• JWST巡天将具备足够的深度与覆盖面积，完成对z ≈ 8–10红移处星系形成的全面普查，揭示早期星系的完整群体。
• JWST的红移系光学光谱学将首次实现对z ≈ 8–9星系中恒星形成速率、金属丰度与电离状态的直接测量。
• JWST可明确检验z ≈ 8–10处演化星族的存在，为恒星形成延伸至z ≈ 15提供直接证据。
• JWST将约束Lyman连续谱光子逃逸分数及其与星系属性的关系，解决再电离物理中的一个关键不确定性。
• 从z ≈ 6到z ≈ 10，紫外光度密度的下降已被观测到，但其在z ≈ 10之后是否持续仍未经证实，JWST将检验这一趋势。
• JWST将实现金属丰度指标的直接校准，并研究近紫外金属线、Lyα传播与星际吸收在高红移星系中的特性。

Figure 2: Ionizing photon production efficiency $\xi_{\mathrm{ion}}$ as a function of stellar population age in the BPASS population synthesis models (Eldridge et al., 2017 , Stanway & Eldridge, 2018 , 2019 ) . Shown is the ratio $\xi_{\mathrm{ion}}\equiv\dot{N}_{\mathrm{ion}}/L_{1500\text{\AA}}$ wi