[论文解读] The impact of UV variability on the abundance of bright galaxies at $z \geq 9$

Xuejian Shen, Mark Vogelsberger+3 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 7

一句话总结

该论文建立了一个经验框架来评估来自暗晕组装、爆发性恒星形成和尘埃衰减的UV变异性，如何影响z≥9的星系UV光度函数，并显示若在高红移时UV变异性足够大，观测到的JWST计数可以在不改变中值UV产量的情况下与ΛCDM相一致。

ABSTRACT

JWST observations have revealed a population of galaxies bright enough that potentially challenge standard galaxy formation models in the $Λ$CDM cosmology. Using a minimal empirical framework, we investigate the influence of variability on the rest-frame ultra-violet (UV) luminosity function (UVLF) of galaxies at $z\geq 9$. Our study differentiates between the $ extit{median UV radiation yield}$ and the $ extit{variability of UV luminosities}$ of galaxies at a fixed dark matter halo mass. We primarily focus on the latter effect, which depends on halo assembly and galaxy formation processes and can significantly increase the abundance of UV-bright galaxies due to the upscatter of galaxies in lower-mass haloes. We find that a relatively low level of variability, $σ_{ m UV} \approx 0.75$ mag, matches the observational constraints at $z\approx 9$. However, increasingly larger $σ_{ m UV}$ is necessary when moving to higher redshifts, reaching $σ_{ m UV} \approx 2.0\,(2.5)\,{ m mag}$ at $z\approx 12$ ($16$). This implied variability is consistent with expectations of physical processes in high-redshift galaxies such as bursty star formation and cycles of dust clearance. Photometric constraints from JWST at $z\gtrsim 9$ therefore can be reconciled with a standard $Λ$CDM-based galaxy formation model calibrated at lower redshifts without the need for adjustments to the median UV radiation yield.

研究动机与目标

• 在z≥9时提供一个最小的经验映射，将晕质量与中位UV光度联系起来，以匹配观测到的UVLF。
• 量化来自暗晕组装、恒星形成和尘埃衰减的UV变异性如何通过在较低质量晕中的向上整合来重塑UVLF。
• 确定在不同红移下需要的UV变异水平，以使JWST光度测量约束与标准星系形成模型保持一致。
• 讨论UV变异性的物理起源及其对解释高-z星系群体的影响。

提出的方法

• 采用平坦的ΛCDM宇宙学，取Planck2018参数启发的数值，通过Hmf进行类Press-Schechter样理论构建晕质量函数。
• 将晕中的SFR参数化为SFR = ε* f_b dot(M_halo)，使用一个随红移无关的双幂律ε*(M_halo)来设定中位星系–晕联系。
• 以SFR = κ_UV L_ν(UV)将SFR与固有UV光度联系起来，κ_UV = 1.15×10^-28，适用于1500 Å处的Salpeter初星族。
• 用IRX-β和β–M_UV关系推导的A_UV来模-model尘埃衰减，得到A_UV ≈ −0.34[21+M_UV]+0.79。
• 通过对UVLF与宽度为σ_UV的高斯核卷积来包含UV变异性，以捕捉来自暗晕组装、恒星形成和尘埃衰减的散布。
• 探讨三种变异情景以界定σ_UV的上限： (i) 仅σ_halo ≈ 0.6–0.75 mag；(ii) 散射完全相关→σ_UV ≳ 2.2 mag；(iii) 相互独立散射→σ_UV ≳ 1.2 mag。

实验结果

研究问题

• RQ1 UV变异性在ΛCDM框架下如何影响高红移的UV光度函数？
• RQ2 在z≈9–16时需要怎样的UV变异性（σ_UV）才能在不改变中位UV产量的前提下再现JWST光度约束？
• RQ3 当考虑UV变异性时，标准的低红移 calibrated星系形成模型是否能够容纳JWST观测？
• RQ4 在高红移阶段哪些物理过程（暗晕组装、爆发性恒星形成、尘埃衰减）主导UV变异性？

主要发现

• 在使用以晕质量为依赖的ε*时，低水平的UV变异性σ_UV ≈ 0.75 mag在z≈9观测的明亮端相匹配，但在更高z时需要更高的σ_UV。
• 为在z≈10、12、16匹配JWST光度约束，所需的σ_UV值分别约为≈1.5 mag、≈2.0 mag和≈2.5 mag。
• 提高σ_UV通过将低质量晕向上散射，增加UV明亮星系的丰度，从而在不改变中位UV产量的前提下使观测与ΛCDM相吻合。
• 在z≈10左右出现定性转变，随着高红移σ_UV上升以解释明亮端UVLF，同时在z≤10时保持与UV光度密度和恒星质量约束的一致性。
• 增强UV变异性可以降低为适配JWST数据而对中位UV辐射产量或初星族假设进行剧烈修改的需求。
• 研究发现如果采用一个物理动机驱动的UV变异水平，当前的JWST在z≥9的发现可以在标准ΛCDM框架内得到解释。