[论文解读] The Star-forming and Ionizing Properties of Dwarf z~6-9 Galaxies in JADES: Insights on Bursty Star Formation and Ionized Bubble Growth

Ryan Endsley, Daniel P. Stark+38 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 32

一句话总结

本研究使用深层 JADES/NIRCam 成像对 756 个微弱的 z∼6–9 星系的 rest-UV 到 optical 的 SED 进行统计表征，约束它们的恒星形成历史、星云发射、金属丰度以及电离性质。

ABSTRACT

Reionization is thought to be driven by faint star-forming galaxies, but characterizing this population has long remained very challenging. Here we utilize deep nine-band NIRCam imaging from JADES to study the star-forming and ionizing properties of 756 $z\sim6-9$ galaxies, including hundreds of very UV-faint objects ($M_\mathrm{UV}>-18$). The faintest ($m\sim30$) galaxies in our sample typically have stellar masses of $M_\ast\sim(1-3) imes10^7$ $M_\odot$ and young light-weighted ages ($\sim$50 Myr), though some show strong Balmer breaks implying much older ages ($\sim$500 Myr). We find no evidence for extremely massive galaxies ($>3 imes10^{10}$ $M_\odot$). We infer a strong (factor $>$2) decline in the typical [OIII]$+$H$β$ EWs towards very faint $z\sim6-9$ galaxies, yet a weak UV luminosity dependence on the H$α$ EWs at $z\sim6$. We demonstrate that these EW trends can be explained if fainter galaxies have systematically lower metallicities as well as more recently-declining star formation histories relative to the most UV-luminous galaxies in our sample. Our data provide evidence that the brightest galaxies are frequently experiencing a recent strong upturn in SFR. We also discuss how the EW trends may be influenced by a strong correlation between $M_\mathrm{UV}$ and Lyman continuum escape fraction. This alternative explanation has dramatically different implications for the contribution of galaxies along the luminosity function to cosmic reionization. Finally, we quantify the photometric overdensities around two $z>7$ strong Ly$α$ emitters. One Ly$α$ emitter lies close to a strong photometric overdensity while the other shows no significant nearby overdensity, perhaps implying that not all strong $z>7$ Ly$α$ emitters reside in large ionized bubbles.

研究动机与目标

• 使用 rest-UV 到 rest-optical 的 SED 来量化非常微弱的 z∼6–9 星系的物理属性（恒星质量、年龄、金属丰度）。
• 评估星云线发射在这些矮星中对短时间尺度的恒星形成变化的指示作用。
• 研究 UV 光度、金属丰度、恒星形成历史与 Lyman 连续体逃逸之间的关系。
• 探讨微弱星系群体在宇宙再电离与电离泡生长中的贡献。
• 考察 z>7 Lyα 发射源周围的光度环境，以将星系群体与电离区域联系起来。

提出的方法

• 利用 JADES 在 GOODS-S 和 GOODS-N 的深层九波段 JWST/NIRCam 成像，构建 14 波段 ACS+NIRCam 光度测量。
• 通过 Lyman-break dropout 颜色选择，在两个红移箱（z∼6 和 z∼7–9）识别 z∼6–9 星系。
• 用四种基于光致电离的 SED 模型集拟合光度（CSFH with BEAGLE、TcSFH with BEAGLE、prospector continuity、prospector bursty priors），以推导恒星质量、年龄、金属丰度和电离参数。
• 施加一致的先验框架（Chabrier IMF、SMC尘埃、质量、年龄、金属丰度、电离参数的指定范围），并采用 Inoue et al. (2014) 的 IGM 衰减。
• 结合相邻源扣除和 PSF 匹配光度测量，以稳健地在所有波段测量微弱源。
• 通过光度学约束 rest-optical 的星云线强度（[OIII]+Hβ、Hα），以探测爆发性和电离输出。

实验结果

研究问题

• RQ1 极度 UV 变弱的 z∼6–9 星系群体的恒星质量、年龄和金属丰度是多少？
• RQ2 微弱的 z∼6–9 星系是否在短时间尺度（约几 Myr）上显示出爆发性恒星形成历史的证据？
• RQ3 在该群体中，星云发射线强度和电离参数如何随 UV 光度和红移变化？
• RQ4 微弱星系在驱动再电离中的作用，特别是通过 Lyman 连续体逃逸？
• RQ5 强 Lyα 发射体在 z>7 时是否位于大型电离过密区，还是可以不存在显著的邻近气泡？

主要发现

• 最微弱的 z∼6–9 星系的恒星质量通常在 (1–3)×10^7 M⊙，光权重年龄约 50 Myr，尽管有些显示 Balmer 断裂，暗示年龄约 500 Myr。
• 向最暗星系走去，典型的 [OIII]+Hβ 等效宽度明显下降（>2×），在 z∼6 时 Hα EW 对 UV 光度的依赖较弱。
• 观测到的 EW 趋势可以用更低金属丰度和在更暗星系中更近来下降的 SFH 来解释，与明亮系统的爆发性活动一致。
• MUV 与 Lyman 连续体逃逸分数之间存在潜在相关性，可能显著改变星系对再电离的贡献的推断，需要深度光谱跟进。
• 两个 z>7 Lyα 发射体周围的光度学过密区情况混合：一个位于强过密区附近，另一个周围没有显著过密区，表明并非所有强 z>7 Lyα 发射源都位于大电离泡中。