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Harley Katz
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The SPHINX Cosmological Simulations of the First Billion Years: the Impact of Binary Stars on Reionization★

Joakim Rosdahl et al.Jun 22, 2018
We present the SPHINX suite of cosmological adaptive mesh refinement simulations, the first radiation-hydrodynamical simulations to simultaneously capture large-scale reionization and the escape of ionizing radiation from thousands of resolved galaxies. Our $5$ and $10$ co-moving Mpc volumes resolve haloes down to the atomic cooling limit and model the inter-stellar medium with better than $\approx10$ pc resolution. The project has numerous goals in improving our understanding of reionization and making predictions for future observations. In this first paper we study how the inclusion of binary stars in computing stellar luminosities impacts reionization, compared to a model that includes only single stars. Owing to the suppression of galaxy growth via strong feedback, our galaxies are in good agreement with observational estimates of the galaxy luminosity function. We find that binaries have a significant impact on the timing of reionization: with binaries, our boxes are $99.9$ percent ionized by volume at $z\approx 7$, while without them our volumes fail to reionize by $z=6$. These results are robust to changes in volume size, resolution, and feedback efficiency. The escape of ionizing radiation from individual galaxies varies strongly and frequently. On average, binaries lead to escape fractions of $\approx 7-10$ percent, about $3.5$ times higher than with single stars only. The higher escape fraction is a result of a shallower decline in ionizing luminosity with age, and is the primary reason for earlier reionization, although the higher integrated luminosity with binaries also plays a sub-dominant role.
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The great escape: understanding the connection between Ly α emission and LyC escape in simulated JWST analogues

Nicholas Choustikov et al.Jul 5, 2024
ABSTRACT Constraining the escape fraction of Lyman Continuum (LyC) photons from high-redshift galaxies is crucial to understanding reionization. Recent observations have demonstrated that various characteristics of the Ly$\, \alpha$ emission line correlate with the inferred LyC escape fraction ($f_{\rm esc}^{\rm LyC}$) of low-redshift galaxies. Using a data set of 9600 mock Ly$\, \alpha$ spectra of star-forming galaxies at $4.64 \le z \le 6$ from the SPHINX$^{20}$ cosmological radiation hydrodynamical simulation, we study the physics controlling the escape of Ly$\, \alpha$ and LyC photons. We find that our mock Ly$\, \alpha$ observations are representative of high-redshift observations and that typical observational methods tend to overpredict the Ly$\, \alpha$ escape fraction ($f_{\rm esc}^{\rm Ly\, \alpha }$) by as much as 2 dex. We investigate the correlations between $f_{\rm esc}^{\rm LyC}$ and $f_{\rm esc}^{\rm Ly\, \alpha }$, Ly$\, \alpha$ equivalent width ($W_{\lambda }({\rm Ly\, \alpha })$), peak separation ($v_{\rm sep}$), central escape fraction ($f_{\rm cen}$), and red peak asymmetry ($A_f^{\rm red}$). We find that $f_{\rm esc}^{\rm Ly\, \alpha }$ and $f_{\rm cen}$ are good diagnostics for LyC leakage, selecting for galaxies with lower neutral gas densities and less UV attenuation that have recently experienced supernova feedback. In contrast, $W_{\lambda }({\rm Ly\, \alpha })$ and $v_{\rm sep}$ are found to be necessary but insufficient diagnostics, while $A_f^{\rm red}$ carries little information. Finally, we use stacks of Ly$\, \alpha$, H$\, \alpha$, and F150W mock surface brightness profiles to find that galaxies with high $f_{\rm esc}^{\rm LyC}$ tend to have less extended Ly$\, \alpha$ and F150W haloes but larger H$\, \alpha$ haloes than their non-leaking counterparts. This confirms that Ly$\, \alpha$ spectral profiles and surface brightness morphology can be used to better understand the escape of LyC photons from galaxies during the epoch of reionization.
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Nebular dominated galaxies: insights into the stellar initial mass function at high redshift

Alex Cameron et al.Jun 21, 2024
ABSTRACT We identify a low-metallicity ($12+\log ({\rm O}/{\rm H})=7.59$) Ly $\alpha$-emitting galaxy at $z=5.943$ with evidence of a strong Balmer jump, arising from nebular continuum. While Balmer jumps are sometimes observed in low-redshift star-forming galaxies, this galaxy also exhibits a steep turnover in the UV continuum. Such turnovers are typically attributed to absorption by a damped Ly $\alpha$ system (DLA); however, the shape of the turnover and the high observed Ly $\alpha$ escape fraction ($f_{\rm esc,Ly\alpha }~\sim 27~{{\ \rm per\ cent}}$) is also consistent with strong nebular two-photon continuum emission. Modelling the UV turnover with a DLA requires extreme column densities ($N_{\rm HI}\,\,\gt\,\, 10^{23}$ cm$^{-2}$), and simultaneously explaining the high $f_{\rm esc,Ly\alpha }$ requires a fine-tuned geometry. In contrast, modelling the spectrum as primarily nebular provides a good fit to both the continuum and emission lines, motivating scenarios in which (a) we are observing only nebular emission or (b) the ionizing source is powering extreme nebular emission that outshines the stellar emission. The nebular-only scenario could arise if the ionizing source has ‘turned off’ more recently than the recombination time-scale ($\sim$1000 yr), hence we may be catching the object at a very specific time. Alternatively, hot stars with $T_{\rm eff}\gtrsim 10^5$ K (e.g. Wolf–Rayet or low-metallicity massive stars) produce enough ionizing photons such that the two-photon emission becomes visible. While several stellar SEDs from the literature fit the observed spectrum well, the hot-star scenario requires that the number of $\gtrsim 50~{\rm M}_\odot$ stars relative to $\sim 5\!-\!50~{\rm M}_\odot$ stars is significantly higher than predicted by typical stellar initial mass functions (IMFs). The identification of more galaxies with similar spectra may provide evidence for a top-heavy IMF at high redshift.
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Early Bright Galaxies from Helium Enhancements in High-Redshift Star Clusters

Harley Katz et al.Nov 19, 2024
The first few cycles of JWST have identified an overabundance of UV-bright galaxies and a general excess of UV luminosity density at z≳10 compared to expectations from most (pre-JWST) theoretical models. Moreover, some of the brightest high-redshift spectroscopically confirmed galaxies exhibit peculiar chemical abundance patterns, most notably extremely high N/O ratios. Since N/O has been empirically shown to scale strongly with He/H, as expected for hot hydrogen burning, these same bright high-redshift galaxies are likely also helium-enhanced. Under simplistic assumptions for stellar evolution, the bolometric luminosity of a star scales as L∝(4−92Y+54Y2)−1 — hence a higher He/H leads to brighter stars. In this Letter, we evolve a series of MESA models to the zero-age main-sequence and highlight that the helium enhancements at the levels measured and inferred for high-redshift galaxies can boost the 1500 A UV luminosity by up to ∼50% , while simultaneously increasing the stellar effective temperature. The combination of helium enhancements with nebular continuum emission expected for intense bursts of star formation have the potential to help reduce the tension between JWST observations and certain galaxy formation models.
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Rising from the ashes: Evidence of old stellar populations and rejuvenation events in the very early Universe

Callum Witten et al.Jan 6, 2025
Abstract While JWST has observed galaxies assembling as early as z ∼ 14, evidence of galaxies with significant old stellar populations in the Epoch of Reionisation (EoR) – the descendants of these earliest galaxies – are few and far between. Bursty star-formation histories (SFHs) have been invoked to explain the detectability of the earliest UV-bright galaxies, but also to interpret galaxies showing Balmer breaks without nebular emission lines. We present the first spectroscopic evidence of a z ∼ 7.9 galaxy, A2744-YD4, which shows a Balmer break and emission lines, indicating the presence of both a mature and young stellar population. The spectrum of A2744-YD4 shows peculiar emission line ratios suggesting a relatively low ionisation parameter and high gas-phase metallicity. A median stack of galaxies with similar emission line ratios reveals a clear Balmer break in their stacked spectrum. This suggests that a mature stellar population ($\sim 80~\rm {Myr}$ old) has produced a chemically enriched, disrupted interstellar medium. Based on SED-fitting and comparison to simulations, we conclude that the observed young stellar population is in fact the result of a rejuvenation event following a lull in star formation lasting $\sim 20~\rm {Myr}$, making A2744-YD4 and our stack the first spectroscopic confirmation of galaxies that have rejuvenated following a mini-quenched phase. These rejuvenating galaxies appear to be in an exceptional evolutionary moment where they can be identified. Our analysis shows that a young stellar population of just $\sim 30~{{\%}}$ of the total stellar mass would erase the Balmer break. Hence, ‘outshining’ through bursty SFHs in early galaxies is likely plaguing attempts to measure their stellar ages and masses accurately.