[论文解读] On the ages of bright galaxies $\sim 500$ Myr after the Big Bang: insights into star formation activity at $z \gtrsim 15$ with JWST

Lily Whitler, Ryan Endsley+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）在 rest-optical 波段的增强灵敏度，分析了七个性质为紫外明亮的星系在红移 $ z \sim 8.5-11 $ 时的年龄与恒星形成历史，推断出其年龄中位数约为 20 Myr。研究预测，从 $ z \sim 8.5-11 $ 到 $ z \gtrsim 15 $，明亮星系的数量密度将下降约 30 倍，表明恒星形成活动在宇宙黎明时期迅速减弱。

ABSTRACT

With JWST, new opportunities to study the evolution of galaxies in the early Universe are emerging. Spitzer constraints on rest-optical properties of $z\gtrsim7$ galaxies demonstrated the power of using galaxy stellar masses and star formation histories (SFHs) to indirectly infer the cosmic star formation history. However, only the brightest individual $z\gtrsim8$ objects could be detected with Spitzer, making it difficult to robustly constrain activity at $z\gtrsim10$. Here, we leverage the greatly improved rest-optical sensitivity of JWST at $z\gtrsim8$ to constrain the ages of seven UV-bright ($M_{UV}\lesssim-19.5$) galaxies selected to lie at $z\sim8.5-11$, then investigate implications for $z\gtrsim15$ star formation. We infer the properties of individual objects with two spectral energy distribution modelling codes, then infer a distribution of ages for bright $z\sim8.5-11$ galaxies. We find a median age of $\sim20$ Myr, younger than that inferred at $z\sim7$ with a similar analysis, consistent with an evolution towards larger specific star formation rates at early times. The age distribution suggests that only $\sim3$ percent of bright $z\sim8.5-11$ galaxies would be similarly luminous at $z\gtrsim15$, implying that the number density of bright galaxies declines by at least an order of magnitude between $z\sim8.5-11$ and $z\sim15$. This evolution is challenging to reconcile with some early JWST results suggesting the abundance of bright galaxies does not significantly decrease towards very early times, but we suggest this tension may be eased if young stellar populations form on top of older stellar components, or if bright $z\sim15$ galaxies are observed during a burst of star formation.

研究动机与目标

• 利用 JWST 的改进 rest-optical 敏感度，约束 $ z \sim 8.5-11 $ 时明亮星系的年龄与恒星形成历史（SFH）
• 推断这些年龄约束对宇宙黎明时期 $ z \gtrsim 15 $ 恒星形成活动的影响
• 评估从 $ z \sim 8.5-11 $ 到 $ z \gtrsim 15 $ 期间明亮星系数量密度的演化
• 调和预测的明亮星系丰度下降与早期 JWST 观测结果之间存在的矛盾，后者表明在高红移区数量密度变化极小
• 评估在较老星族上形成年轻恒星种群或经历短暂恒星形成爆发是否可缓解与高红移候选星系计数之间的张力

提出的方法

• 使用两种独立代码（beagle 和 Prospector）进行光谱能量分布（SED）建模，从 JWST/NIRCam 光度数据推断星系性质
• 应用非参数化 SFH 模型，以实现无需假设特定函数形式的灵活、数据驱动的恒星形成历史重建
• 采用贝叶斯推断与嵌套采样（MultiNest）方法探索参数空间，并推导年龄与 SFH 的后验分布
• 估算在 $ z \sim 8.5-11 $ 时，$ M_{\textsc{uv}} \approx -20 $ 星系中具有足够老星族（>270 Myr）以在 $ z \sim 15 $ 仍保持明亮的比例
• 将推断出的年龄分布与早期星系演化理论预期及宇宙恒星形成历史的约束进行比较
• 进行敏感性分析，以评估结果对建模假设与光度误差的稳健性

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $ z \sim 8.5-11 $ 时，紫外明亮星系的推断年龄是多少？与低红移星系相比有何差异？
• RQ2 这些星系的年龄分布在多大程度上暗示了至 $ z \gtrsim 15 $ 时明亮星系数量密度的下降？
• RQ3 能否调和观测到的 $ z \gtrsim 12 $ 候选星系丰度与预测的明亮星系数量快速下降之间的矛盾？
• RQ4 在较老星族上形成年轻恒星种群或在恒星形成爆发期间形成，如何影响对高红移星系计数的解释？
• RQ5 这些年龄与 SFH 推断对 $ z \gtrsim 15 $ 时宇宙恒星形成历史施加了何种约束？

主要发现

• 七个性质为 $ z \sim 8.5-11 $ 的星系的年龄中位数约为 20 Myr，表明恒星形成活动极为近期
• 该年龄显著小于在 $ z \sim 7 $ 时推断出的类似星系的年龄，与早期宇宙时期特定恒星形成率随时间增加的预期一致
• 在 $ z \sim 8.5-11 $ 时，仅有约 3% 的 $ M_{\textsc{uv}} \approx -20 $ 星系拥有足够老的星族（>270 Myr）以在 $ z \sim 15 $ 时仍保持明亮
• 这表明从 $ z \sim 8.5-11 $ 到 $ z \gtrsim 15 $，明亮星系的数量密度将下降约 30 倍，表明早期恒星形成活动迅速减弱
• 该预测与某些早期 JWST 结果不一致，后者表明在 $ z \gtrsim 12 $ 时明亮星系丰度变化极小，暗示可能存在张力
• 若 $ z \gtrsim 15 $ 的星系在较老星族上拥有年轻恒星种群，或正处于短暂的恒星形成爆发期，则该张力可能得以缓解