[论文解读] The Burstiness of Star Formation at $z\sim6$: A Huge Diversity in the Recent Star Formation Histories of Very UV-faint Galaxies

Ryan Endsley, John Chisholm+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用 4

一句话总结

本研究利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）和哈勃空间望远镜的成像数据，分析了368个z∼6的莱曼断裂星系（Lyman-break galaxies）的恒星形成历史（SFHs），发现最暗的紫外星系（M_UV ≈ -17.4）在近期恒星形成历史方面表现出远超较亮星系的多样性，尤其表现为强烈的恒星形成速率（SFR）下降以及较低的Hα/UV光度比。结果表明，爆发式恒星形成极为普遍，导致UV星等在10–30 Myr的时间尺度内发生1–2等的快速波动，从而解释了z>10红移处高红移星系的丰度。

ABSTRACT

IRAC data have long implied that early ($z\gtrsim6$) galaxies often have very high specific star formation rates (sSFR$\gtrsim$30 Gyr$^{-1}$), but JWST data have shown that at least some early galaxies are forming stars far less vigorously. Here, we systematically analyze the recent star formation histories (SFHs) of a large ($N=368$) sample of $z\sim6$ Lyman-break galaxies (LBGs) spanning $-22\lesssim M_\mathrm{UV}\lesssim-16$ assembled from ACS+NIRCam imaging in the GOODS and Abell 2744 fields. We find that very low H$α$-to-UV luminosity ratios ($L_\mathrm{Hα}/L_\mathrm{UV}$) and strong recent downturns in star formation rate (SFR) are $\approx$5$ imes$ more common among the UV-faintest subset of our sample ($\langle M_\mathrm{UV} angle=-17.4$) compared to the brightest subset ($\langle M_\mathrm{UV} angle=-20.0$). The frequency of high $L_\mathrm{Hα}/L_\mathrm{UV}$ and strong recent SFR upturns is approximately constant with UV luminosity. We discuss how bursty SFHs naturally reproduce this much greater diversity in recent SFHs among very UV-faint galaxies. Using public NIRSpec/prism data, we newly confirm recent strong SFR downturns among three LBGs in our sample, and validate our photometric inferences on key SFH signatures among $z\sim6$ LBGs in general. Our results imply that early galaxies frequently cycle through phases of rapid stellar mass assembly and other periods of much slower growth. This yields huge ($\gtrsim$1-2 mag) fluctuations in $M_\mathrm{UV}$ on rapid ($\sim$10-30 Myr) timescales, helping explain the surprising abundance of $z>10$ galaxies. Finally, we caution that this burstiness causes all existing high-redshift samples (particularly line-selected samples) to be far less complete to galaxies with long recent phases of low sSFR than those currently undergoing a burst.

研究动机与目标

• 理解z∼6极紫外暗淡星系中近期恒星形成历史（SFHs）的多样性。
• 解决基于IRAC的sSFR估计与JWST观测结果之间存在的矛盾，后者显示部分早期星系中恒星形成活动较低。
• 探究为何最暗的z∼6星系相比更亮星系表现出更强的SFR下降趋势和更低的L_Hα/L_UV比值。
• 利用公开的NIRSpec/prism数据对样本中部分星系进行光谱验证，以检验光谱法对SFH的推断。
• 评估爆发式SFH对观测到的高红移星系（z>10）丰度的影响。

提出的方法

• 作者分析了GOODS和Abell 2744场的ACS+NIRCam成像数据，构建了一个包含368个z∼6莱曼断裂星系的样本，其M_UV范围为-22至-16。
• 通过光谱能量分布（SED）拟合进行光谱测光分析，推断近期恒星形成历史（SFHs），重点关注过去约100 Myr内的SFR演化。
• 计算Hα与UV光度比（L_Hα/L_UV）作为近期恒星形成活动的诊断指标。
• 比较不同紫外光度区间中SFR下降与上升事件的频率，特别对比最暗（⟨M_UV⟩ = -17.4）与最亮（⟨M_UV⟩ = -20.0）子样本。
• 利用公开的NIRSpec/prism光谱数据对样本中三颗莱曼断裂星系进行关键SFH特征的验证。
• 通过建模爆发式SFH对UV星等演化的影响，估算波动的时间尺度与幅度。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何最暗的z∼6星系表现出显著更高的SFR下降频率和更低的L_Hα/L_UV比值，相较于更亮星系？
• RQ2 爆发式恒星形成历史如何解释紫外暗淡z∼6星系中近期SFH的观测多样性？
• RQ3 z∼6莱曼断裂星系的光谱法SFH推断与NIRSpec/prism光谱直接测量结果的一致性程度如何？
• RQ4 快速、爆发式的SFH如何解释z>10红移处星系的观测丰度？
• RQ5 爆发性对高红移星系巡天的完备性，特别是对线选样本的影响是什么？

主要发现

• 在z∼6莱曼断裂星系中，紫外最暗子样本（⟨M_UV⟩ = -17.4）表现出约5倍于最亮子样本（⟨M_UV⟩ = -20.0）的强近期SFR下降事件频率及低L_Hα/L_UV比值。
• 强近期SFR上升事件与高L_Hα/L_UV比值的频率在不同紫外光度区间内保持近似恒定。
• 爆发式恒星形成历史可自然解释最暗星系中观测到的近期SFH多样性，表现为快速质量聚集阶段与休眠期交替出现。
• 样本中三颗莱曼断裂星系经NIRSpec/prism数据新确认具有强烈的近期SFR下降，验证了光谱测光SFH推断方法的可靠性。
• 爆发性导致M_UV在10–30 Myr的时间尺度内发生1–2等的快速波动，有助于解释z>10星系出人意料的丰度。
• 现有高红移星系样本，尤其是线选样本，对具有长期低特定恒星形成率（sSFR）阶段的星系显著不完整，更倾向于捕获爆发式系统。