[论文解读] Morphologies of Galaxies at $z \gtrsim 9$ Uncovered by JWST/NIRCam Imaging: Cosmic Size Evolution and an Identification of an Extremely Compact Bright Galaxy at $z\sim 12$

Yoshiaki Ono, Yuichi Harikane+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 9

一句话总结

本研究利用JWST/NIRCam成像对红移$z \gtrsim 9$的高红移星系形态进行分析，采用GALFIT表面亮度剖面拟合与蒙特卡洛模拟方法测量有效半径。研究识别出GL-z12-1为一个位于$z \sim 12$的极紧凑星系，其有效半径为$r_{\rm e} = 39 \pm 11$ pc，与宇宙学模拟中早期、孤立的恒星形成阶段一致，并证实了从$z \sim 0$到$16$的宇宙尺度演化遵循$r_{\rm e} \propto (1+z)^{-1.22}$的规律。

ABSTRACT

We present morphologies of galaxies at $z \gtrsim 9$ resolved by JWST/NIRCam $2$-$5μ$m imaging. Our sample consists of $22$ galaxy candidates identified by stringent dropout and photo-$z$ criteria in GLASS, CEERS, SMACS J0723, and Stephan's Quintet flanking fields, one of which has been spectroscopically identified at $z=11.44$. We perform surface brightness (SB) profile fitting with GALFIT for $6$ bright galaxies with S/N $=10$-$40$ on an individual basis and for stacked faint galaxies with secure point-spread functions (PSFs) of the NIRCam real data, carefully evaluating systematics by Monte-Carlo simulations. We compare our results with those of previous JWST studies, and confirm that effective radii $r_{ m e}$ of our measurements are consistent with those of previous measurements at $z\sim 9$. We obtain $r_{ m e}\simeq 200$-$300$ pc with the exponential-like profiles, Sérsic indexes of $n\simeq 1$-$1.5$, for galaxies at $z\sim 12$-$16$, indicating that the relation of $r_{ m e}\propto (1+z)^s$ for $s=-1.22^{+0.17}_{-0.16}$ explains cosmic evolution over $z\sim 0$-$16$ for $\sim L^*_{z=3}$ galaxies. One bright ($M_{ m UV}=-21$ mag) galaxy at $z\sim 12$, GL-z12-1, has an extremely compact profile with $r_{ m e}=39 \pm 11$ pc that is surely extended over the PSF. Even in the case that the GL-z12-1 SB is fit by AGN$+$galaxy composite profiles, the best-fit galaxy component is again compact, $r_{ m e}=48^{+38}_{-15}$ pc that is significantly ($>5σ$) smaller than the typical $r_{ m e}$ value at $z\sim 12$. Comparing with numerical simulations, we find that such a compact galaxy naturally forms at $z\gtrsim 10$, and that frequent mergers at the early epoch produce more extended galaxies following the $r_{ m e}\propto (1+z)^s$ relation.

研究动机与目标

• 利用深度JWST/NIRCam成像测量$z \gtrsim 9$高红移星系的形态及其有效半径。
• 研究从$z \sim 0$到$16$的星系尺度宇宙演化规律，并检验$r_{\rm e} \propto (1+z)^s$的标度关系。
• 识别并表征位于$z \sim 12$的极紧凑星系（如GL-z12-1），评估其形成机制。
• 将观测到的星系大小与恒星形成面密度与宇宙学模拟进行比较，以约束形成情景。
• 通过使用真实点扩散函数（PSF）和信噪比的蒙特卡洛模拟，评估尺寸测量中的系统性偏差。

提出的方法

• 对6个明亮星系及堆叠的暗弱星系进行GALFIT表面亮度剖面拟合，信噪比个体为$10$–$40$。
• 通过使用真实JWST/NIRCam PSF的蒙特卡洛模拟，校正系统性误差，以补偿暗弱天体中尺寸和光度的低估。
• 利用Rest-frame紫外和光学表面亮度剖面，比较低质量星系中恒星形成的分布。
• 将观测到的大小-光度关系与基于HST的外推结果及宇宙学模拟进行比较，以评估一致性。
• 对GL-z12-1采用AGN + 星系复合轮廓模型进行建模，以独立检验其恒星成分的紧凑性，排除核活动的潜在影响。
• 将GL-z12-1中的黑洞质量与恒星质量与本地$M_{\rm BH}$–$M_{\rm star}$关系进行对比，以评估种子黑洞形成情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$z \sim 9$–$16$的高红移星系中，其有效半径是多少？其随宇宙时间如何演化？
• RQ2 对于光度约为$\sim L^{*}_{z=3}$的星系，观测到的$r_{\rm e} \propto (1+z)^s$标度关系是否在$z \sim 0$到$16$范围内保持一致？
• RQ3 GL-z12-1在$z \sim 12$处的极紧凑尺寸（$r_{\rm e} = 39 \pm 11$ pc）能否由标准恒星形成或AGN活动解释？
• RQ4 高红移星系的恒星形成面密度与$z \sim 6$–$8$时相比如何？这对它们的形成机制有何启示？
• RQ5 宇宙学模拟是否支持在$z \gtrsim 10$形成此类紧凑星系？何种物理条件有利于紧凑形态而非扩展形态？

主要发现

• 在$z \sim 12$–$16$的星系中，有效半径为$r_{\rm e} \simeq 200$–$300$ pc，Sérsic指数$n \simeq 1$–$1.5$，与指数型轮廓一致。
• 约$L^{\ast}_{z=3}$光度星系的尺度演化遵循$r_{\rm e} \propto (1+z)^s$，其中$s = -1.22^{+0.17}_{-0.16}$，覆盖从$z \sim 0$到$16$的红移范围。
• GL-z12-1被识别为一个极紧凑星系，其有效半径为$r_{\rm e} = 39 \pm 11$ pc，显著小于$z \sim 12$时的典型值。
• 即使采用AGN + 星系复合模型拟合，最佳拟合星系成分仍保持紧凑，$r_{\rm e} = 48^{+38}_{-15}$ pc，低于典型尺寸尺度的$5\sigma$显著性。
• 由于其紧凑性，GL-z12-1的恒星形成面密度异常高，与$z \sim 6$–$8$时观测到的值相当或更高。
• 宇宙学模拟表明，GL-z12-1中此类紧凑恒星形成对应于相对孤立、以吸积为主导的阶段，而$r_{\rm e} \sim 200$–$500$ pc的更大星系则与并合或相互作用阶段相关。