[论文解读] The Complete CEERS Early Universe Galaxy Sample: A Surprisingly Slow Evolution of the Space Density of Bright Galaxies at z ~ 8.5-14.5

Steven L. Finkelstein, Gene C. K. Leung+53 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 17

一句话总结

这篇论文展示了来自 CEERS JWST/NIRCam 成像的 z ~ 8.5–14.5 候选星系的完整样本 88 个，推导 rest-UV 光度函数，并发现这些时段亮星系的宇宙密度演化较慢，具有高光度测量和光谱保真度。

ABSTRACT

We present a sample of 88 candidate z~8.5-14.5 galaxies selected from the completed NIRCam imaging from the Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) survey. These data cover ~90 arcmin^2 (10 NIRCam pointings) in six broad-band and one medium-band imaging filter. With this sample we confirm at higher confidence early JWST conclusions that bright galaxies in this epoch are more abundant than predicted by most theoretical models. We construct the rest-frame ultraviolet luminosity functions at z~9, 11 and 14, and show that the space density of bright (M_UV=-20) galaxies changes only modestly from z~14 to z~9, compared to a steeper increase from z~8 to z~4. While our candidates are photometrically selected, spectroscopic followup has now confirmed 13 of them, with only one significant interloper, implying that the fidelity of this sample is high. Successfully explaining the evidence for a flatter evolution in the number densities of UV-bright z>10 galaxies may thus require changes to the dominant physical processes regulating star formation. While our results indicate that significant variations of dust attenuation with redshift are unlikely to be the dominant factor at these high redshifts, they are consistent with predictions from models which naturally have enhanced star-formation efficiency and/or stochasticity. An evolving stellar initial mass function could also bring model predictions into better agreement with our results. Deep spectroscopic followup of a large sample of early galaxies can distinguish between these competing scenarios.

研究动机与目标

• 通过测量 z > 8.5 的亮星系丰度，激发对前 5 亿年银河形成和恒星形成效率的研究。
• 在 z ~ 9、11 和 14 构建 rest-frame UV 光度函数，以量化宇宙密度的进化趋势。
• 通过光谱跟进评估高z星系样本的保真度，以提高选择的可靠性。

提出的方法

• 从已完成的 CEERS NIRCam 成像中，在 ~90 平方弧分范围内组建 88 个 z ~ 8.5–14.5 的星系候选样本。
• 使用椭圆 Kron 光圈进行 PSF 匹配、孔径校正的光度测量，结合覆盖 13 个滤波器的多波段目录。
• 使用经验噪声测量和 EAZY 的 SED 拟合来推导光度红shift 概率分布和 z_best。
• 应用 dropout 与光度红shift 标准来选择高红移候选者并减少低-z 偏离者。
• 结合光谱跟进结果（13 确认，1 名混杂体）以验证样本保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z ~ 8.5–14.5 的亮UV星系的宇宙密度是多少，与较低红移相比其演化如何？
• RQ2 观测到的 z > 8.5 星系丰度与理论预测相比如何，哪些物理过程可能解释差异？
• RQ3 通过光谱验证后，z > 8.5 星系样本的保真度如何，主要污染来源是什么？
• RQ4 基于 CEERS 样本，z ~ 9、11、14 的 rest-UV 光度函数如何演化？

主要发现

• 从完成的 CEERS NIRCam 成像覆盖的 ~90 平方弧分范围内识别出 88 个候选 z ~ 8.5–14.5 星系样本。
• 在 z ~ 9、11、14 构建的 rest-frame UV 光度函数，显示从 z ~ 14 到 z ~ 9 的亮星系宇宙密度演化仅为温和。
• 光谱跟进确认 13 个候选对象，只有 1 个明显的混杂体，指示样本保真度高。
• 在 z > 10 的 UV-bright 星系密度观察到的平坦演化挑战了一些理论模型，可能需要改变恒星形成效率、初始质量函数或恒星形成的随机性。
• 结果与预测提高的恒星形成效率或随机性以及与演化 IMF 情景的宽松一致。