[论文解读] Identification of a transition from stochastic to secular star formation around $z=9$ with JWST

L. Ciesla, D. Elbaz+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 16被引用 6

一句话总结

本研究利用JWST的JADES巡天数据，分析了高红移星系（6 < z < 12）中的恒星形成历史（SFHs）。通过应用非参数化SED建模（CIGALE）并引入SFR梯度作为动力学指标，识别出在z ≈ 9附近，恒星形成模式从随机性向有序性转变，其中大质量星系（log M∗ ≳ 9）从爆发式恒星形成转变为类似主序列的行为，尽管随机性水平过低，无法完全解释z ≳ 10时紫外光度函数的过量现象。

ABSTRACT

Star formation histories (SFH) of early (6$9$, 87% of massive galaxies, ($\log(M_\ast/M_\odot)\gtrsim$9), have SFR gradients consistent with a stochastic star-formation activity during the last 100 Myr, while this fraction drops to 15% at $z&lt;7$. On the other hand, we see an increasing fraction of galaxies with a star-formation activity following a common stream on the SFR-$M_\ast$ plane with cosmic time, indicating that a secular mode of star-formation is emerging. We place our results in the context of the observed excess of UV emission as probed by the UV luminosity function at $z\gtrsim10$, by estimating $σ_{UV}$, the dispersion of the UV absolute magnitude distribution, to be of the order of 1.2mag and compare it with predictions from the literature. In conclusion, we find a transition of star-formation mode happening around $z\sim9$: Galaxies with stochastic SFHs dominates at $z\gtrsim9$, although this level of stochasticity is too low to reach those invoked by recent models to reproduce the observed UV luminosity function.

研究动机与目标

• 表征早期星系（6 < z < 12）中恒星形成历史（SFHs）的变异性，作为星星质量与红移的函数。
• 探究在高红移，特别是z ≈ 9附近，随机性或有序性恒星形成模式中哪一种占主导地位。
• 评估观测到的z ≳ 10时紫外光度函数的过量现象是否可由随机性SFHs解释。
• 评估反馈与质量聚集在星系从爆发式向连续恒星形成转变过程中的作用。
• 量化紫外绝对星等的弥散度（σ_UV），并与随机性驱动的紫外过量理论预期进行比较。

提出的方法

• 利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）观测的高红移星系公开JADES星表。
• 采用CIGALE SED建模代码，使用线性时间区间和均匀先验的非参数化SFH，以最大化随机性恢复能力。
• 引入SFR梯度——即100 Myr内SFR–M∗平面上的运动轨迹——作为近期SFH演化动力学指标。
• 计算σ_UV，即紫外绝对星等分布的弥散度，以评估紫外光度中随机性的水平。
• 在Narayanan等人（2023）的模拟星系上验证非参数化SFH方法，确认其在SFH重建方面优于标准的爆发连续性先验。
• 分析红移分箱（6 < z < 7，7 < z < 9，z > 9）以追踪宇宙时空中SFH模式的演化。

Figure 1: Stellar mass as a function of redshift for the JADES sample (grey dots) and the selected galaxies studied in this work. Colours highlight the three redshift bins analysed in this work.

实验结果

研究问题

• RQ1 在哪个红移处，早期星系中恒星形成的主要模式从随机性转变为有序性？
• RQ2 SFR–星星质量关系如何随红移演化，其揭示了SFH变异性怎样的信息？
• RQ3 随机性恒星形成在多大程度上可解释z ≳ 10时观测到的紫外光度函数过量现象？
• RQ4 测得的紫外绝对星等弥散度（σ_UV）是多少，其与随机性SFH模型预测值相比如何？
• RQ5 大质量星系（log M∗ ≳ 9）的SFH从z ≈ 10到z ≈ 7如何演化，这对其在主序列上的位置有何启示？

主要发现

• 在z > 9时，87%的大质量星系（log M∗ ≳ 9）的SFR梯度在最近100 Myr内与随机性恒星形成一致。
• 在z < 7时，该比例下降至15%，表明大质量星系中恒星形成模式强烈转向有序、主序列类似行为。
• SFR梯度分布从z < 7时的峰值约40°（有序模式）转变为z > 9时的峰值约0°（随机模式），转变发生在7 < z < 9红移区间。
• 低质量星系（log M∗ < 8.5）在所有红移下均表现出随机性SFH，且在z > 9时SFR–M∗关系无显著相关性。
• 观测到的紫外星等弥散度σ_UV为1.2 ± 0.1 mag，该值过低，无法仅通过随机性完全解释z ≳ 10时紫外光度函数的过量现象。
• 尽管早期处于随机阶段，恒星形成历史的变异性水平仍不足以解释z ≳ 10时紫外明亮星系的过量，表明可能存在其他物理机制。

Figure 2: Left panel: Stellar mass recovered with cigale using the non-parametric SFH with no prior versus the true stellar mass of the simulated SEDs. Light green dots are obtained using a non-parametric SFH with bursty continuity prior while the drak green dots are obtained with the non-parametric