[论文解读] Two Remarkably Luminous Galaxy Candidates at $z\approx10-12$ Revealed by JWST

Rohan P. Naidu, Pascal A. Oesch+23 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 10

一句话总结

本研究利用CEERS和GLASS早期释放科学计划的JWST/NIRCam成像，在红移z≈10–12的范围内识别出两个极为明亮的星系候选体。这两个星系，GLASS-z10和GLASS-z12，表现出强烈的Lyman蓝移，并且光谱能量分布（SED）建模表明，它们在大爆炸后300–400百万年内已形成约10⁹ M☉的恒星质量，这一发现挑战了现有的紫外光度函数模型，并暗示了早期、高效的恒星形成过程。

ABSTRACT

The first few hundred Myrs at $z>10$ mark the last major uncharted epoch in the history of the Universe, where only a single galaxy (GNz11 at $z\approx11$) is currently spectroscopically confirmed. Here we present a search for luminous $z>10$ galaxies with $JWST$/NIRCam photometry spanning $\approx1-5μ$m and covering 49 arcmin$^{2}$ from the public Early Release Science programs (CEERS and GLASS). Our most secure candidates are two $M_{ m{UV}}\approx-21$ systems: GLASS-z12 and GLASS-z10. These galaxies display abrupt $\gtrsim1.8$ mag breaks in their spectral energy distributions, consistent with complete absorption of flux bluewards of Lyman-$α$ that is redshifted to $z=12.4^{+0.1}_{-0.3}$ and $z=10.4^{+0.4}_{-0.5}$. Lower redshift interlopers such as quiescent galaxies with strong Balmer breaks would be comfortably detected at $>5σ$ in multiple bands where instead we find no flux. From SED modeling we infer that these galaxies have already built up $\sim 10^9$ solar masses in stars over the $\lesssim300-400$ Myrs after the Big Bang. The brightness of these sources enable morphological constraints. Tantalizingly, GLASS-z10 shows a clearly extended exponential light profile, potentially consistent with a disk galaxy of $r_{ m{50}}\approx0.7$ kpc. These sources, if confirmed, join GNz11 in defying number density forecasts for luminous galaxies based on Schechter UV luminosity functions, which require a survey area $>10 imes$ larger than we have studied here to find such luminous sources at such high redshifts. They extend evidence from lower redshifts for little or no evolution in the bright end of the UV luminosity function into the cosmic dawn epoch, with implications for just how early these galaxies began forming. This, in turn, suggests that future deep $JWST$ observations may identify relatively bright galaxies to much earlier epochs than might have been anticipated.

研究动机与目标

• 在CEERS和GLASS早期释放科学计划的深空JWST/NIRCam成像中，搜索红移z > 10的明亮高红移星系。
• 利用测光和SED拟合技术，识别并表征极其明亮、高红移的星系候选体。
• 评估这些候选体是否代表宇宙黎明时期质量巨大、快速形成星系的群体，从而挑战当前的星系形成模型。
• 评估这些探测结果对z > 10紫外光度函数及恒星形成效率的影响。
• 为未来JWST观测提供形态学与光谱学后续观测的前景。

提出的方法

• 利用JWST/NIRCam在CEERS和GLASS场区覆盖1–5 µm波段的深近红外测光数据，覆盖面积达49平方角分。
• 通过光谱能量分布（SED）在1.8 mag以上的陡峭断点识别候选体，该特征与z ≈ 10–12处的Lyman-alpha吸收一致。
• 采用Prospector和FSPS模型进行SED拟合，估算红移、恒星质量和恒星形成速率。
• 利用GALFIT模型拟合光度分布，发现其呈指数型分布，与盘状结构一致。
• 通过多波段无检测（>5σ极限）测试，评估低红移混淆体的污染程度。
• 将观测到的源密度与Schechter函数和双幂律紫外光度函数模型进行比较，评估在明亮端的偏离程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在z ≈ 10–12是否存在M_UV ≈ -21的明亮星系？它们是否与高红移星系形成模型一致？
• RQ2 在JWST数据中，能否在z ≈ 10–12处稳健识别出SED中的强Lyman蓝移？它们对红移和物理性质有何含义？
• RQ3 这些星系的恒星质量和恒星形成效率是多少？与紫外光度函数的预期值相比如何？
• RQ4 这些星系在z ≈ 10–12时的形态是否与盘状结构一致？这对早期星系形成意味着什么？
• RQ5 这些探测结果在多大程度上表明标准Schechter紫外光度函数在明亮端出现偏离？

主要发现

• 通过其SED中超过1.8 mag的强Lyman蓝移，识别出两个明亮星系候选体：GLASS-z10（z ≈ 10.4⁺⁰.⁴₋₀.⁵）和GLASS-z12（z ≈ 12.4⁺⁰.¹₋₀.³）。
• 这些星系的绝对紫外星等为M_UV ≈ -21，且在大爆炸后300–400百万年内已形成约10⁹ M☉的恒星质量。
• GLASS-z10表现出清晰约束的扩展指数型光度分布，半光半径约为0.7 kpc，表明其在z ≈ 10时具有盘状形态。
• 观测到的M_UV ≈ -21源的源密度为log φ [Mpc⁻³ mag⁻¹] = -5.05⁺⁰.³⁷₋₀.⁴⁵，表明在明亮端显著偏离标准Schechter函数。
• 这些候选体的特性与低红移混淆体不一致，因其在多个波段中均无检测信号（>5σ极限），而此类天体本应被探测到。
• 这些发现表明，早期星系的恒星形成效率可能高于预测值，且未来JWST巡天可能比预期更容易发现此类明亮源。