[论文解读] Schrodinger's Galaxy Candidate: Puzzlingly Luminous at $z\approx17$, or Dusty/Quenched at $z\approx5$?

Rohan P. Naidu, Pascal A. Oesch+23 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2022

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一句话总结

本论文分析 CEERS-1749，这是一个耀眼的 JWST 对象，在 z≈17 的 Lyman-break 银河星系情景与一个可能的 z≈5 的尘埃/静默干扰者之间进行权衡，结合环境证据和多SED建模。

ABSTRACT

$JWST$'s first glimpse of the $z>10$ Universe has yielded a surprising abundance of luminous galaxy candidates. Here we present the most extreme of these systems: CEERS-1749. Based on $0.6-5μ$m photometry, this strikingly luminous ($\approx$26 mag) galaxy appears to lie at $z\approx17$. This would make it an $M_{ m{UV}}\approx-22$, $M_{ m{\star}}\approx5 imes10^{9}M_{ m{\odot}}$ system that formed a mere $\sim220$ Myrs after the Big Bang. The implied number density of this galaxy and its analogues challenges virtually every early galaxy evolution model that assumes $Λ$CDM cosmology. However, there is strong environmental evidence supporting a secondary redshift solution of $z\approx5$: all three of the galaxy's nearest neighbors at $<2.5$" have photometric redshifts of $z\approx5$. Further, we show that CEERS-1749 may lie in a $z\approx5$ protocluster that is $\gtrsim5 imes$ overdense compared to the field. Intense line emission at $z\approx5$ from a quiescent galaxy harboring ionized gas, or from a dusty starburst, may provide satisfactory explanations for CEERS-1749's photometry. The emission lines at $z\approx5$ conspire to boost the $>2μ$m photometry, producing an apparent blue slope as well as a strong break in the SED. Such a perfectly disguised contaminant is possible only in a narrow redshift window ($Δz\lesssim0.1$), implying that the permitted volume for such interlopers may not be a major concern for $z>10$ searches, particularly when medium-bands are deployed. If CEERS-1749 is confirmed to lie at $z\approx5$, it will be the highest-redshift quiescent galaxy, or one of the lowest mass dusty galaxies of the early Universe detected to-date. Both redshift solutions of this intriguing galaxy hold the potential to challenge existing models of early galaxy evolution, making spectroscopic follow-up of this source critical.

研究动机与目标

• 调查 CEERS-1749 是一个 z≈17 的 Lyman-break 银河星系，还是一个低红移的 z≈5 干扰对象。
• 评估环境背景以检验 z≈5 方案，包括附近星系的红移及潜在原星团成员资格。
• 探讨其他物理解释（尘埃丰富的星爆、具有电离气体的静默星系等）以解释观测到的光度测量。
• 在光度测量不确定性和零点系统误差下，评估高红移解的鲁棒性。
• 就分光跟进观测提出解决 CEERS-1749 红移与本质所需的指南。

提出的方法

• 汇编并分析 CEERS-1749 的 JWST/NIRCam 与附加的 HST 光度测量。
• 在不同误差底线下使用 EAZY 与 Prospector 进行光度红移拟合。
• 测试替代的 z≈5 SED 解，包括静默/静止银河、尘埃丰富的星爆和含有 AGN 线发射的情景。
• 研究局部环境以评估原星团可能性及邻近对象红移。
• 用 GALFIT 对形态进行建模，以研究结构及潜在的多重性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于观测光度和滤波探测中的 1-2 成分混合，CEERS-1749 是否最有可能被描述为一个 z≈17 的 LBG？
• RQ2 CEERS-1749 附近的局部环境是否通过原星团关联更有利于 z≈5 的解释？
• RQ3 哪些非高红移的解释（尘埃星爆、具有电离气体的静默星系，或与 AGN 相关的线发射）能够再现 SED？
• RQ4 光度测量的不确定性和零点系统误差如何影响红移解及其鲁棒性？
• RQ5 需要哪些跟进观测才能最终确定 CEERS-1749 的红移和本质？

主要发现

• CEERS-1749 极为明亮（在 F277W 约为 26.3 等级），并且在 z>10 的解释中处于有利位置，在 10% 的通量误差底线上，p(z>10)>99.9%。
• 在采用 20% 光度误差底线时，出现 z≈5 的解，星系邻近对象的红移为 z≈5，且附近有 z≈5 原星团的证据。
• 替代的 z≈5 SED 包括具有电离气体发射的静默星系，或具有强星云线的尘埃丰富星爆，在 >2 μm 波段上可模仿 z≈17 SED。
• 若 CEERS-1749 位于 z≈5，其推断的恒星质量在静默情景下可能为 ≈5×10^9 M☉，在低质量的尘埃星爆情景下可能为 ≈5×10^8 M☉，对早期星系群体具有重大影响。
• 形态在各波段与盘状 Sérsic 拟合（n≈1）一致，在较蓝波段可能有团簇状结构，表明类似于并合系统的复杂性。
• 研究强调，在 z>10 的高红偏SED 可被窄窄的红shift 窗口（Δz≲0.1）内的发射线污染所模拟，提醒在高-z 候选选取时需谨慎。