A Lower Bound of Star Formation Activity in Ultra-high Redshift Galaxies Detected with JWST: Implications for Stellar populations and Radiation Sources

A Lower Bound of Star Formation Activity in Ultra-high Redshift Galaxies Detected with JWST: Implications for Stellar populations and Radiation Sources

Kohei Inayoshi, Yuichi Harikane, Akio K. Inoue, Wenxiu Li, Luis C. Ho

arXiv:2208.06872

要旨
JWST で見つかった z>~10 UV bright galaxies をΛCDMモデルの枠組みで説明するために必要な星形成効率について調べた。通常の星形成 (Salpeter IMF) を仮定した場合、>~10-30% という高い効率が必要。これは近傍銀河の観測と不一致だが、starburst 銀河や super star cluster の星形成率とは矛盾しない。他にも metal free stars や compact stellar remnants, quasars などの天体によるシナリオを考えて、将来観測によってシナリオを区別する方法を提案した。

イントロ

JWST NIRCam により、z>~8 で、rest-frame UV で明るい銀河候補が多数見つかった。これらの個数密度は、モデルで予言されている UV LF よりも大きい。このため、ΛCDMモデルに基づく銀河形成モデルと矛盾しないかどうか、問題視されている。

この論文では、観測から見積もられる UV LF @ 10~<z<~17 に着目して、ΛCDMモデルと矛盾しないか、無矛盾であるためにはどれくらいの星形成効率が必要か、について、シンプルなモデルを用いて調べた。

推定されたこれらの星質量が、ΛCDMモデルの星質量関数等と矛盾しないかを調べた論文もあります。以下に一部を挙げます。

• arXiv:2208.01611
• arXiv:2208.07879
• arXiv:2208.10479

モデル

• ダークマターハローの質量関数
• ダークマターハローの質量降着率 ( ->バリオンガスの質量降着率)
• ガス質量のうち、星質量になる割合, f_star (-> 星形成率)
• 星形成率とUV光度の間の変換ファクター, UV radiative efficiency (-> UV 光度) (IMF, age, metallicity に依存)

結果

• Figure 1. を見ると、z~10 では f_star >~ 0.15, z~13 - 17 では f_star >~ 0.3 が必要
• Young stellar age を考えると、UV 光度を説明できるという研究もある (Mason et al. 2022, 図を末尾に添付)
• metal-free, top-heavy の UV radiative efficiency を仮定すると、f_star >~ 0.03 - 0.07 で説明可能 (Figure 2)。

Figure 1. 一つ目のモデルを仮定。f_star = 1.0, 0.6, 0.3 と変化させた結果が色付きの線。

Figure 2. JWST と無矛盾になるパラメータ領域。左下は棄却される。

議論

天体候補

1. Z<~ 0.1 - 1 Z_sun で、f_star >~ 0.15, 0.3 の星形成
2. meal-free, top-heavy IMF で f_star >~ 0.03-0.07 の星形成
3. stellar remnants の BH へのガス降着による UV 放射もsourceとして考えられる。が、progenitor の星の UV radiative efficiency と同程度か小さく、劇的にUV光度を上げる効果はない?
4. quasar もsource として考えられる。しかし、理論的見積もりでは個数密度が小さく、UV光度としては足りない。JWST の morphology 観測からも、UVで明るい銀河は広がった構造を示していて、quasar ではなさそう。

• 前者の2つは photometric color selection や emission line diagnostics で区別できそう。metal-free, top-heavy IMF だと、Ly alpha や He II 1640 の特徴的なスペクトルが期待される。
• 後者の2つは quasar color selection, X-ray spectra,  X-ray variability の有無などで区別できそう。

The brightest galaxies at Cosmic Dawn

Charlotte A. Mason, Michele Trenti and Tommaso Treu

arXiv:2207.14808

要旨
JWST で見つかった z>~10 UV bright galaxies は、age が <~ 10Myr の、UV が最もよく放射される時期の銀河を見ているのかもしれない。

Figure 1. extended Press-Schecter theory から予言される  halo formation time の分布。

Figure 2. halo の age 10 Myr, star formation efficiency 100% を仮定すると、予想される UV LF は図の細い線のように、4桁も大きくなる。

ダスト減光を考慮すると、bright end は一桁以上減少するが、ダストがない場合 power-law のような減少になり、観測される UV bright galaxies を説明できるかもしれない。

JWST で見つかった UV bright galaxies は、Figure 3 の青〜紫の点のような若い outlier を見ている？