[论文解读] The NEWFIRM HETDEX Survey: Photometric Catalog and a Conservative Sample of Massive Quiescent Galaxies at z=3-5 over 17.5 deg^2 in the SHELA Field

Matthew L. Stevans, Steven L. Finkelstein+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2021

Astronomy and Astrophysical Research被引用 5

一句话总结

本文介绍了NEWFIRM HETDEX巡天，这是一项深度Ks波段成像巡天，覆盖了SHELA场17.5平方度，结合多波段数据，识别出在红移z=3–5时质量极大（M∗ > 10¹¹ M⊙）的休眠星系保守样本共九个。通过光度红移和SED拟合，发现这些星系在当前模拟中极为罕见，表明模型中的熄灭机制在高红移时可能过于缓慢或无效。

ABSTRACT

We present the results of a deep K_s-band (2.1 um) imaging survey of the Spitzer/HETDEX Exploratory Large Area (SHELA) field using the NEWFIRM near-infrared (NIR) camera on the KPNO Mayall 4-m telescope. This NEWFIRM HETDEX Survey (NHS) reaches a 5-sigma depth of 22.4 AB mag (2"-diameter apertures corrected to total), is ~50% and 90% complete at K~22.65 and K~22.15, respectively, and covers 22 deg^2 of the 24 deg^2 SHELA Spitzer/ IRAC footprint (within ``Stripe 82' of the Sloan Digital Sky Survey). We present a K_s-band-selected catalog which includes deep ugriz imaging from the Dark Energy Camera and 3.6 and 4.5 um imaging from Spitzer/IRAC, with forced-photometry of 1.7 million sources across 17.5 deg^2. The large area and moderate depth of this catalog enables the study of the most massive galaxies at high redshift, and minimizes uncertainties associated with counting statistics and cosmic variance. As a demonstration, we derive stellar masses (M*) and star-formation rates (SFRs) for candidate galaxies at 3 < z < 5, and select a conservative sample of nine candidate massive (M* > 10^11 Msol) quiescent galaxies, which have measured SFRs significantly below the main-sequence at this redshift. Five are ultra-massive with M* > 10^12, though uncertainties in IRAC blending, gravitational lensing, or AGN emission could result in true masses which are lower. Simulations predict that these galaxies should be extremely rare, thus we discuss what physical processes in models could be altered to allow the formation of such massive quiescent galaxies at such early times.

研究动机与目标

• 利用深度近红外成像，构建一个统计上可靠、覆盖范围广的高质量高红移星系星表。
• 在最小化尘埃星系或低红移混淆源干扰的前提下，识别并表征红移z=3–5时的高质量休眠星系。
• 检验当前星系形成模拟是否能再现早期宇宙中高质量休眠星系的观测数密度。
• 评估熄灭机制（尤其是活动星系核反馈）在早期大质量星系演化中的影响。
• 通过识别高优先级目标，为未来詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）和ALMA后续观测奠定基础。

提出的方法

• 使用Mayall 4米望远镜上的NEWFIRM在Ks波段（2.1 μm）进行深度成像，覆盖17.5平方度，达到5σ深度22.4 AB星等。
• 结合DECam的ugriz波段数据和Spitzer/IRAC的3.6/4.5 μm数据，采用强制测光法测量170万个源的流量。
• 利用eazy-py进行SED拟合，推导出红移z=3–5星系的光度红移、恒星质量及准静止态颜色。
• 采用sSFR阈值（log sSFR/yr⁻¹ < -10.05）定义休眠状态，即低于z=4主序列3σ，以最小化污染。
• 通过UVJ图和Santa Cruz半解析模拟及Simba流体动力学模拟的预测结果进行结果验证。
• 利用模拟评估休眠星系样本的完整性和可靠性，考虑了源混合与引力透镜效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大范围深度巡天中，质量M∗ > 10¹¹ M⊙的高质量休眠星系在z=3–5时有多普遍？
• RQ2 当前宇宙学模拟是否能准确再现高红移时此类星系的观测数密度？
• RQ3 为解释红移z>4时大质量星系的快速熄灭，需要哪些物理过程，尤其是活动星系核反馈？
• RQ4 这些高红移休眠星系的性质与通过传统UVJ标准选择的星系相比如何？
• RQ5 光度巡天中的主要污染源是什么，如何有效减轻以实现可靠的休眠星系识别？

主要发现

• 巡天在Ks波段达到5σ深度22.4 AB星等，17.5平方度范围内Ks ≈ 22.15 mag处完成度达90%。
• 在z=3–5红移区间内，识别出一个保守的九个高质量休眠星系样本（M∗ > 10¹¹ M⊙），其中五个为超大质量星系（M∗ > 10¹² M⊙）。
• 这些星系的质量显著大于Santa Cruz半解析模拟和Simba流体动力学模拟的预测，且在z>4时其数密度被严重低估。
• 基于sSFR的休眠判定标准选出了UVJ空间中通常被UVJ判据遗漏的区域，表明可能存在一个被忽视的快速熄灭大质量星系群体。
• 结果表明，当前模型可能低估了早期宇宙中熄灭机制（尤其是活动星系核反馈）的效率或发生时机。
• 本研究强调了开展深空ALMA和JWST观测的必要性，以确认星系休眠状态，并排除尘埃星形成星系或引力透镜系统造成的污染。