[论文解读] Star formation histories of UV-luminous galaxies at $z \simeq 6.8$: implications for stellar mass assembly at early cosmic times

Lily Whitler, Daniel P. Stark+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用两种独立的代码对红移 z ≈ 6.8 的紫外明亮星系进行 SED 模型拟合，分析其恒星形成历史（SFH），发现恒星种群的中位年龄为 30–70 Myr。研究揭示，15–30% 的这些星系极为年轻（≤10 Myr），而 20–25% 的星系则较老（≥250 Myr），表明早期恒星质量已大量聚集，凸显了詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）在解决模型不确定性方面的重要性。

ABSTRACT

The variety of star formation histories (SFHs) of $z\gtrsim6$ galaxies provides important insights into early star formation, but has been difficult to systematically quantify. Some observations suggest that many $z\sim6-9$ galaxies are dominated by $\gtrsim200$ Myr stellar populations, implying significant star formation at $z\gtrsim9$, while others find that most reionization era galaxies are $\lesssim10$ Myr, consistent with little $z\gtrsim9$ star formation. Here, we quantify the distribution of ages of UV-bright ($-22.5\lesssim M_{UV}\lesssim-21$) galaxies colour-selected to lie at $z\simeq6.6-6.9$, an ideal redshift range to systematically study the SFHs of reionization era galaxies with ground-based observatories and Spitzer. We infer galaxy properties with two SED modelling codes and compare results, finding that stellar masses are largely insensitive to the model, but the inferred ages can vary by an order of magnitude. We infer a distribution of ages assuming a simple, parametric SFH model, finding a median age of $\sim30-70$ Myr depending on SED model. We quantify the fractions of $\leq10$ Myr and $\geq250$ Myr galaxies, finding that these systems comprise $\sim15-30$ percent and $\sim20-25$ percent of the population, respectively. With a flexible SFH model, the shapes of the SFHs are consistent with those implied by the simple model (e.g. young galaxies have rapidly rising SFHs). However, stellar masses can differ significantly, with those of young systems sometimes being more than an order of magnitude larger with the flexible SFH. We quantify the implications of these results for $z\gtrsim9$ stellar mass assembly and discuss improvements expected from JWST.

研究动机与目标

• 量化红移 z ≈ 6.8 的紫外明亮星系中恒星种群年龄的分布，该红移范围非常适合地面和斯皮兹曼望远镜的研究。
• 评估不同 SED 模型代码和 SFH 参数化方式下推断的恒星质量和年龄的稳健性。
• 探讨这些 SFH 对 z ≳ 9 时恒星质量聚集的影响，该红移范围直接观测受限。
• 评估灵活 SFH 模型对推断星系性质（尤其是恒星质量和年龄）的影响。

提出的方法

• 使用两种独立的代码——Prospector 和 BEAGLE——对 Subaru/HSC、VISTA/IRAC 和 Spitzer/IRAC 的测光数据进行 SED 模型拟合。
• 采用简单的参数化 SFH 模型（指数上升或恒定）推断中位年龄和年龄分布。
• 应用基于恒星形成率历史的灵活 SFH 模型，以评估其与简单模型的偏离程度。
• 利用多波段测光约束光谱红移，重点减少电离气体发射线的污染。
• 通过贝叶斯推断推导恒星质量和年龄，使用嵌套采样（MultiNest）和动态嵌套采样（dynesty）进行不确定性传播。
• 比较两种代码的结果，评估推断性质（尤其是年轻和老年系统）的系统性差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 紫外明亮星系在 z ≈ 6.8 时的恒星种群年龄分布如何？这些年龄如何随 SED 模型假设而变化？
• RQ2 z ≈ 6.8 星系推断的恒星质量和年龄在 SFH 参数化方式（简单 vs. 灵活）下有何依赖性？
• RQ3 有多少比例的 z ≈ 6.8 星系与年龄 ≤10 Myr 或 ≥250 Myr 一致？这对 z ≳ 9 时的恒星形成意味着什么？
• RQ4 在该红移范围内，电离气体发射线的贡献在多大程度上影响恒星质量估算？
• RQ5 这些结果如何约束 z ≳ 9 时的总恒星质量聚集？詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）将带来哪些改进？

主要发现

• 紫外明亮星系在 z ≈ 6.8 时的恒星种群中位年龄估计为 30–70 Myr，具体数值取决于所用的 SED 模型代码。
• 样本中约 15–30% 的星系与恒星种群年龄 ≤10 Myr 一致，表明存在正在进行或极近期的恒星形成。
• 约 20–25% 的星系推断年龄 ≥250 Myr，表明在 z ≳ 9 时存在显著的恒星形成活动。
• 灵活 SFH 模型推断的恒星质量与简单模型相比可相差一个数量级以上，尤其在年轻系统中更为显著。
• 灵活模型推导的 SFH 形状与简单模型一致，均显示快速上升的恒星形成历史。
• 本研究强调了独立质量测量（如 ALMA 或 JWST）的重要性，以验证 SED 模型结果，并解决当前早期星系演化中的不确定性。