Abstract We present a sample of 88 candidate z ∼ 8.5–14.5 galaxies selected from the completed NIRCam imaging from the Cosmic Evolution Early Release Science survey. These data cover ∼90 arcmin 2 (10 NIRCam pointings) in six broadband imaging filters and one medium-band imaging filter. With this sample we confirm at higher confidence early JWST conclusions that bright galaxies in this epoch are more abundant than predicted by most theoretical models. We construct the rest-frame ultraviolet luminosity functions at z ∼ 9, 11, and 14 and show that the space density of bright ( M UV = −20) galaxies changes only modestly from z ∼ 14 to z ∼ 9, compared to a steeper increase from z ∼ 8 to z ∼ 4. While our candidates are photometrically selected, spectroscopic follow-up has now confirmed 13 of them, with only one significant interloper, implying that the fidelity of this sample is high. Successfully explaining the evidence for a flatter evolution in the number densities of UV-bright z > 10 galaxies may thus require changes to the dominant physical processes regulating star formation. While our results indicate that significant variations of dust attenuation with redshift are unlikely to be the dominant factor at these high redshifts, they are consistent with predictions from models that naturally have enhanced star formation efficiency and/or stochasticity. An evolving stellar initial mass function could also bring model predictions into better agreement with our results. Deep spectroscopic follow-up of a large sample of early galaxies can distinguish between these competing scenarios.

Abstract The identification of red, apparently massive galaxies at z > 7 in early James Webb Space Telescope (JWST) photometry suggests a strongly accelerated time line compared to standard models of galaxy growth. A major uncertainty in the interpretation is whether the red colors are caused by evolved stellar populations, dust, or other effects such as emission lines or active galactic nuclei (AGNs). Here we show that three of the massive galaxy candidates at z = 6.7–8.4 have prominent Balmer breaks in JWST/NIRSpec spectroscopy from the RUBIES program. The Balmer breaks demonstrate unambiguously that stellar emission dominates at λ rest = 0.4 μ m and require formation histories extending hundreds of millions of years into the past in galaxies only 600–800 Myr after the big bang. Two of the three galaxies also show broad Balmer lines, with H β FWHM > 2500 km s −1 , suggesting that dust-reddened AGNs contribute to, or even dominate, the spectral energy distributions of these galaxies at λ rest ≳ 0.6 μ m. All three galaxies have relatively narrow [O iii ] lines, seemingly ruling out a high-mass interpretation if the lines arise in dynamically relaxed, inclined disks. Yet the inferred masses also remain highly uncertain. We model the high-quality spectra using Prospector to decompose the continuum into stellar and AGN components and explore limiting cases in stellar/AGN contribution. This produces a wide range of possible stellar masses, spanning M ⋆ ∼ 10 9 −10 11 M ⊙ . Nevertheless, all fits suggest a very early and rapid formation, most of which follow with a truncation in star formation. Potential origins and evolutionary tracks for these objects are discussed, from the cores of massive galaxies to low-mass galaxies with overmassive black holes. Intriguingly, we find all of these explanations to be incomplete; deeper and redder data are needed to understand the physics of these systems.

Abstract Substantial populations of massive quiescent galaxies at z ≥ 3 challenge our understanding of rapid galaxy growth and quenching over short timescales. In order to piece together this evolutionary puzzle, more statistical samples of these objects are required. Established techniques for identifying massive quiescent galaxies are increasingly inefficient and unconstrained at z > 3. As a result, studies report that as much as 70% of quiescent galaxies at z > 3 may be missed from existing surveys. In this work, we propose a new empirical color selection technique designed to select massive quiescent galaxies at 3 ≲ z ≲ 6 using JWST NIRCam imaging data. We use empirically constrained galaxy spectral energy distribution (SED) templates to define a region in the F277W − F444W versus F150W − F277W color plane that captures quiescent galaxies at z > 3. We apply these color selection criteria to the Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey and use SED fitting on sources in the region to identify 44 candidate z ≳ 3 quiescent galaxies. Over half of these sources are newly discovered and, on average, exhibit specific star formation rates of poststarburst galaxies. Most of these sources would not be discovered using canonical UVJ diagrams. We derive volume density estimates of n ∼ 1–4 × 10 −5 Mpc −3 at 3 < z < 5, finding excellent agreement with existing reports on similar populations in the CEERS field. Thanks to NIRCam’s wavelength coverage and sensitivity, this technique provides an efficient tool to search for large samples of these rare galaxies.

Abstract We analyze the evolution of massive (log 10 [ M ⋆ / M ⊙ ] > 10) galaxies at z ∼ 4–8 selected from JWST Cosmic Evolution Early Release Survey (CEERS). We infer the physical properties of all galaxies in the CEERS NIRCam imaging through spectral energy distribution (SED) fitting with dense basis to select a sample of high-redshift massive galaxies. Where available we include constraints from additional CEERS observing modes, including 18 sources with MIRI photometric coverage, and 28 sources with spectroscopic confirmations from NIRSpec or NIRCam WFSS. We sample the recovered posteriors in stellar mass from SED fitting to infer the volume densities of massive galaxies across cosmic time, taking into consideration the potential for sample contamination by active galactic nuclei. We find that the evolving abundance of massive galaxies tracks expectations based on a constant baryon conversion efficiency in dark matter halos for z ∼ 4–8. At higher redshifts, we observe an excess abundance of massive galaxies relative to this simple model, resulting in a shallower decline of observed volume densities of massive galaxies. These higher abundances can be explained by modest changes to star formation physics and/or the efficiencies with which star formation occurs in massive dark matter halos, and are not in tension with modern cosmology.

We present an end-to-end description of the formation process of globular clusters (GCs) which combines a treatment for their formation and dynamical evolution within galaxy haloes with a state-of-the-art semi-analytic simulation of galaxy formation. Our approach allows us to obtain exquisite statistics to study the effect of the environment and assembly history of galaxies, while still allowing a very efficient exploration of the parameter space of star cluster physics. Our reference model, including both efficient cluster disruption during galaxy mergers and a model for the dynamical friction of GCs within the galactic potential, accurately reproduces the observed correlation between the total mass in GCs and the parent halo mass. A deviation from linearity is predicted at low halo masses, which is driven by a strong dependence on morphological type: bulge-dominated galaxies tend to host larger masses of GCs than their later-type counterparts of similar stellar mass. While the significance of the difference might be affected by resolution at the lowest halo masses considered, this is a robust prediction of our model and represents a natural consequence of the assumption that cluster migration from the disk to the halo is triggered by galaxy mergers. Our model requires an environmental dependence of GC radii to reproduce the observed mass distribution of GCs in our Galaxy at the low-mass end. At GC masses $>10^6\,{\rm M}_\odot$, our model predicts fewer GCs than observed due to an overly aggressive treatment of dynamical friction. The metallicity distribution measured for Galactic GCs is well reproduced by our model, even though it predicts systematically younger GCs than observed. We argue that this adds further evidence for an anomalously early formation of the stars in our Galaxy.

The interstellar medium in the Milky Way's Central Molecular Zone (CMZ) is known to be strongly magnetised, but its large-scale morphology and impact on the gas dynamics are not well understood. We explore the impact and properties of magnetic fields in the CMZ using three-dimensional non-self gravitating magnetohydrodynamical simulations of gas flow in an external Milky Way barred potential. We find that: (1) The magnetic field is conveniently decomposed into a regular time-averaged component and an irregular turbulent component. The regular component aligns well with the velocity vectors of the gas everywhere, including within the bar lanes. (2) The field geometry transitions from parallel to the Galactic plane near $z=0$ to poloidal away from the plane. (3) The magneto-rotational instability (MRI) causes an in-plane inflow of matter from the CMZ gas ring towards the central few parsecs of $0.01-0.1$ M$_\odot$ yr$^{-1}$ that is absent in the unmagnetised simulations. However, the magnetic fields have no significant effect on the larger-scale bar-driven inflow that brings the gas from the Galactic disc into the CMZ. (4) A combination of bar inflow and MRI-driven turbulence can sustain a turbulent vertical velocity dispersion of $\sigma_z \simeq 5$ km s$^{-1}$ on scales of $20$ pc in the CMZ ring. The MRI alone sustains a velocity dispersion of $\sigma_z \simeq 3$ km s$^{-1}$. Both these numbers are lower than the observed velocity dispersion of gas in the CMZ, suggesting that other processes such as stellar feedback are necessary to explain the observations. (5) Dynamo action driven by differential rotation and the MRI amplifies the magnetic fields in the CMZ ring until they saturate at a value that scales with the average local density as $B \simeq 102 (n/10^3 cm^{-3})^{0.33}$ $\mu$G. Finally, we discuss the implications of our results within the observational context in the CMZ.

Abstract We present an end-to-end description of the formation of globular clusters (GCs) combining a treatment for their formation and dynamical evolution within galaxy haloes with a state-of-the-art semi-analytic simulation of galaxy formation. Our approach allows us to obtain exquisite statistics to study the effect of the environment and assembly history of galaxies, while still allowing a very efficient exploration of the parameter space. Our reference model, including both efficient cluster disruption during galaxy mergers and dynamical friction of GCs within the galactic potential, accurately reproduces the observed correlation between the total mass in GCs and the parent halo mass. A deviation from linearity is predicted at low halo masses, which is driven by a strong dependence on morphological type: bulge-dominated galaxies tend to host larger masses of GCs than their later-type counterparts. While the significance of the difference might be affected by resolution at the lowest halo masses considered, this is a robust prediction of our model and a natural consequence of the assumption that cluster migration into the halo is triggered by galaxy mergers. Our model requires an environmental dependence of GC radii to reproduce the observed low-mass mass distribution of GCs in our Galaxy. At GC masses &gt;106 M⊙, our model predicts fewer GCs than observed, due to an overly aggressive treatment of dynamical friction. Our model reproduces well the metallicity distribution measured for Galactic GCs, even though we predict systematically younger GCs than observed. We argue that this adds further evidence for an anomalously early formation of the stars in our Galaxy.

In anticipation of the upcoming Euclid Wide and Deep Surveys, we present optical emission-line predictions at intermediate redshifts from 0.4 to 2.5. Our approach combines a mock light cone from the Gaea semi-analytic model with advanced photoionisation models to construct emission-line catalogues. This allows us to self-consistently model nebular emission from H ii regions around young stars, and, for the first time with a semi-analytic model, narrow-line regions of active galactic nuclei (AGN) and evolved stellar populations. Gaea Mpc $, marks the largest volume this set of models has been applied to. We validate our methodology against observational and theoretical data at low redshift. Our analysis focuses on seven optical emission lines: Halpha , Hbeta S ii N ii O i O iii 5007$, and O ii 3727, 3729$. In assessing selection bias, we find that it will predominantly observe line-emitting galaxies, which are massive (stellar mass $ solarmass $), star-forming (specific star-formation rate $> 10^ yr^ $), and metal-rich (oxygen-to-hydrogen abundance $ logten(O/H)+12 > 8$). We provide percentages of emission-line populations in our underlying Gaea sample with a mass resolution limit of $10^ solarmass $ and an $H$-band magnitude cut of 25. We compare results with and without an estimate of interstellar dust attenuation, which we model using a Calzetti law with a mass-dependent scaling. According to this estimate, the presence of dust may decrease observable percentages by a further 20-30<!PCT!> with respect to the overall population, which presents challenges for detecting intrinsically fainter lines. We predict to observe around 30--70<!PCT!> of Halpha - N ii S ii -, and O iii -emitting galaxies at redshift below 1. At higher redshift, these percentages decrease below 10<!PCT!>. Hbeta O ii and O i emission are expected to appear relatively faint, thus limiting observability to at most 5<!PCT!> at the lower end of their detectable redshift range, and below 1<!PCT!> at the higher end. This is the case both for these lines individually and in combination with other lines. For galaxies with line emission above the flux threshold in the Euclid Deep Survey, we find that BPT diagrams can effectively distinguish between different galaxy types up to around redshift 1.8, attributed to the bias toward metal-rich systems. Moreover, we show that the relationships of Halpha and O iii +Hbeta to the star-formation rate, as well as the O iii -AGN luminosity relation, exhibit minimal, if any, changes with increasing redshift when compared to local calibrations. Based on the line ratios $ N ii /H N ii O ii $, and $ N ii S ii $, we further propose novel redshift-invariant tracers for the black hole accretion rate-to-star formation rate ratio. Lastly, we find that commonly used metallicity estimators display gradual shifts in normalisations with increasing redshift, while maintaining the overall shape of local calibrations. This is in tentative agreement with recent JWST data.