[论文解读] Identification of High-Redshift Galaxy Overdensities in GOODS-N and GOODS-S

Jakob M. Helton, Fengwu Sun+19 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用JWST/NIRCam成像和无 slit 光谱法，在GOODS-N和GOODS-S场中识别出17个高红移星系团块，确认了775个红移在4.9 < z_spec < 8.9之间的星系。所发现的最高红移原星系团，其⟨z_spec⟩分别为7.955和8.222，是迄今探测到的最遥远原星系团，表明致密环境中早期星系演化迅速，且预计将在z=0时演化为大质量星系团。

ABSTRACT

We conduct a systematic search for high-redshift galaxy overdensities at $4.9 &lt; z_{\,\mathrm{spec}} &lt; 8.9$ in both the GOODS-N and GOODS-S fields using JWST/NIRCam imaging from JADES and JEMS in addition to JWST/NIRCam wide field slitless spectroscopy from FRESCO. High-redshift galaxy candidates are identified using HST+JWST photometry spanning $λ= 0.4-5.0\ μ\mathrm{m}$. We confirmed the redshifts for roughly a third of these galaxies using JWST/FRESCO spectroscopy over $λ= 3.9-5.0\ μ\mathrm{m}$ through identification of either $\mathrm{H} α$ or $\left[\mathrm{OIII} ight]\lambda5008$ around the best-fit photometric redshift. The rest-UV magnitudes and continuum slopes of these galaxies were inferred from the photometry: the brightest and reddest objects appear in more dense environments and thus are surrounded by more galaxy neighbors than their fainter and bluer counterparts, suggesting accelerated galaxy evolution within overdense environments. We find $17$ significant ($δ_{\mathrm{gal}} \geq 3.04$, $N_{\mathrm{galaxies}} \geq 4$) galaxy overdensities across both fields ($7$ in GOODS-N and $10$ in GOODS-S), including the two highest redshift spectroscopically confirmed galaxy overdensities to date at $\left&lt; z_{\mathrm{\,spec}} ight&gt; = 7.954$ and $\left&lt; z_{\mathrm{\,spec}} ight&gt; = 8.222$ (representing densities around $\sim 6$ and $\sim 12$ times that of a random volume). We estimate the total halo mass of these large-scale structures to be $11.5 \leq \mathrm{log}_{10}\left(M_{\mathrm{halo}}/M_{\odot} ight) \leq 13.4$ using an empirical stellar mass to halo mass relation, which are likely underestimates as a result of incompleteness. These protocluster candidates are expected to evolve into massive galaxy clusters with $\mathrm{log}_{10}\left(M_{\mathrm{halo}}/M_{\odot} ight) \gtrsim 14$ by $z = 0$.

研究动机与目标

• 利用深度多波段数据识别并表征早期宇宙中的高红移星系团块。
• 利用测光和光谱法测定高红移星系的物理特性和红移。
• 评估原星系团候选体的大尺度结构和晕质量，以追踪大质量星系团的形成过程。
• 评估高密度环境在z > 4.9时加速星系演化的角色。
• 将观测到的团块与模拟的光锥进行比较，以验证晕质量估计和结构一致性。

提出的方法

• 利用HST+JWST在0.4–5.0 μm波段的测光数据识别高红移星系候选体。
• 应用JWST/FRESCO无 slit 光谱法（3.9–5.0 μm）通过Hα或[OIII]λ5008发射线确认红移。
• 利用测光红移拟合方法，并从多波段测光中估算星系的紫外波段绝对星等和连续谱斜率。
• 通过显著性阈值（δ_gal ≥ 3.04）和最小星系数（N_galaxies ≥ 4）定义星系团块。
• 基于UniverseMachine光锥模拟，采用经验性的恒星质量-晕质量关系估算晕质量。
• 通过将观测到的团块特性与Behroozi等人（2019）的模拟光锥进行比较，验证结果。

Figure 1: Histograms showing the distribution of spectroscopic redshifts for the final spectroscopic sample described in Section 3.2 . The pink shaded regions represent the galaxies from GOODS-N while the blue shaded regions represent the galaxies from GOODS-S. This sample includes objects across th

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移星系团块在GOODS-N和GOODS-S场中的分布和物理结构如何？
• RQ2 在致密环境中，高红移星系的红移和物理特性与孤立区域相比有何差异？
• RQ3 最极端的原星系团候选体的暗物质晕质量是多少？它们将如何演化至z=0？
• RQ4 观测到的团块与宇宙学模拟的预测相比如何？
• RQ5 在z > 4.9时，高密度环境在多大程度上加速了星系演化？

主要发现

• 共识别出17个显著的星系团块，其中7个位于GOODS-N，10个位于GOODS-S，每个团块至少包含4个星系，且δ_gal ≥ 3.04。
• 两个红移最高的光谱确认团块的平均红移分别为⟨z_spec⟩ = 7.955和⟨z_spec⟩ = 8.222，是迄今已知最遥远的原星系团。
• 这些团块的表面星系密度分别比随机体积高出约6倍和12倍，表明形成中的星系高度集中。
• 这些结构的总晕质量估计为11.5 ≤ log₁₀(M_halo/M☉) ≤ 13.4，可能因观测不完全而存在低估。
• UniverseMachine模型的模拟光锥重现了观测到的团块统计特性（每场约8.2 ± 3.4个），支持晕质量估计的可靠性。
• 这些原星系团预计将在z = 0时演化为质量log₁₀(M_halo/M☉) ≳ 14的大质量星系团，与分层结构形成理论一致。

Figure 2: Photometric redshifts versus spectroscopic redshifts for the final spectroscopic sample described in Section 3.2 . The upper (lower) panel adopts the EAZY “ $z_{\mathrm{a}}$ ” (“ $z_{\mathrm{peak}}$ ”) values as the photometric redshifts, which are described in Section 3.1 . The pink (blue