ABSTRACT We reduce and analyse the available JWST ERO and ERS NIRCam imaging (SMACS0723, GLASS, CEERS) in combination with the latest deep ground-based near-infrared imaging in the COSMOS field (provided by UltraVISTA DR5) to produce a new measurement of the evolving galaxy UV luminosity function (LF) over the redshift range z = 8 − 15. This yields a new estimate of the evolution of UV luminosity density (ρUV), and hence cosmic star formation rate density (ρSFR) out to within <300 Myr of the Big Bang. Our results confirm that the high-redshift LF is best described by a double power law (rather than a Schechter) function up to z ∼ 10, and that the LF and the resulting derived ρUV (and thus ρSFR), continues to decline gradually and steadily up to z ∼ 15 (as anticipated from previous studies which analysed the pre-existing data in a consistent manner to this study). We provide details of the 61 high-redshift galaxy candidates, 47 of which are new, that have enabled this new analysis. Our sample contains 6 galaxies at z ≥ 12, one of which appears to set a new redshift record as an apparently robust galaxy candidate at z ≃ 16.4, the properties of which we therefore consider in detail. The advances presented here emphasize the importance of achieving high dynamic range in studies of early galaxy evolution, and re-affirm the enormous potential of forthcoming larger JWST programmes to transform our understanding of the young Universe.

Abstract Spectra of the highest redshift galaxies taken with JWST are now allowing us to see into the heart of the reionization epoch. Many of these observed galaxies exhibit strong damping wing absorption redward of their Lyman-α emission. These observations have been used to measure the redshift evolution of the neutral fraction of the intergalactic medium and sizes of ionized bubbles. However, these estimates have been made using a simple analytic model for the intergalactic damping wing. We explore the recent observations with models of inhomogeneous reionization from the Sherwood-Relics simulation suite. We carry out a comparison between the damping wings calculated from the simulations and from the analytic model. We find that although the agreement is good on the red side of the Lyman-α emission, there is a discrepancy on the blue side due to residual neutral hydrogen present in the simulations, which saturates the intergalactic absorption. For this reason, we find that it is difficult to reproduce the claimed observations of large bubble sizes at z ∼ 7, which are driven by a detection of transmitted flux blueward of the Lyman-α emission. We suggest instead that the observations can be explained by a model with smaller ionized bubbles and larger intrinsic Lyman-α emission from the host galaxy.

ABSTRACT Combining the public JWST/NIRCam imaging programs CEERS, PRIMER, and JADES, spanning a total area of $\sim 500\, {\rm arcmin}^2$, we obtain a sample of $\gt $30 000 galaxies at $z_{\rm phot}\sim 4\!-\!9$ that allows us to perform a complete, rest-optical-selected census of the galaxy population at $z\gt 3$. Comparing the stellar mass $M_*$ and the UV-slope $\beta$ distributions between JWST- and HST-selected samples, we generally find very good agreement and no significant biases. Nevertheless, JWST enables us to probe a new population of UV-red galaxies that was missing from previous HST-based Lyman-break galaxy (LBG) samples. We measure galaxy stellar mass functions (SMFs) at $z\sim 4\!-\!9$ down to limiting masses of $10^{7.5}\!-\!10^{8.5}\, {\rm M_\odot }$, finding steep low-mass slopes over the entire redshift range, reaching values of $\alpha \approx -2$ at $z\gtrsim 6$. At the high-mass end, UV-red galaxies dominate at least out to $z\sim 6$. The implied redshift evolution of the SMF suggests a rapid build-up of massive dust-obscured or quiescent galaxies from $z\sim 6$ to $z\sim 4$ as well as an enhanced efficiency of star formation towards earlier times ($z\gtrsim 6$). Finally, we show that the galaxy mass density grows by a factor $\sim 20\times$ from $z\sim 9$ to $z\sim 4$. Our results emphasize the importance of rest-frame optically selected samples in inferring accurate distributions of physical properties and studying the mass build-up of galaxies in the first 1.5 Gyr of cosmic history.

Abstract We present determinations of the gas-phase and stellar metallicities of a sample of 65 star-forming galaxies at z ≃ 3.5 using rest-frame far-ultraviolet (FUV) spectroscopy from the VANDELS survey in combination with follow-up rest-frame optical spectroscopy from VLT/KMOS and Keck/MOSFIRE. We infer gas-phase oxygen abundances (Zg; tracing O/H) via strong optical nebular lines and stellar iron abundances (Z⋆; tracing Fe/H) from full spectral fitting to the FUV continuum. Our sample spans the stellar mass range 8.5 < log(M⋆/M⊙) < 10.5 and shows clear evidence for both a stellar and gas-phase mass-metallicity relation (MZR). We find that our O and Fe abundance estimates both exhibit a similar mass-dependence, such that $\mathrm{Fe/H}\propto M_{\star }^{0.30\pm 0.11}$ and $\mathrm{O/H}\propto M_{\star }^{0.32\pm 0.09}$. At fixed M⋆ we find that, relative to their solar values, O abundances are systematically larger than Fe abundances (i.e. α-enhancement). We estimate an average enhancement of (O/Fe) = 2.65 ± 0.16 × (O/Fe)⊙ which appears to be independent of M⋆. We employ analytic chemical evolution models to place a constraint on the strength of galactic-level outflows via the mass-outflow factor (η). We show that outflow efficiencies that scale as $\eta \propto M_{\star }^{-0.32}$ can simultaneously explain the functional form of of the stellar and gas-phase MZR, as well as the degree of α-enhancement at fixed Fe/H. Our results add further evidence to support a picture in which α-enhanced abundance ratios are ubiquitous in high-redshift star-forming galaxies, as expected for young systems whose interstellar medium is primarily enriched by core-collapse supernovae.

Abstract We compare mock ultraviolet C ii and Si ii absorption and emission line features generated using a ∼10 9 M ⊙ virtual galaxy with observations of 131 z ∼ 3 galaxies from the vandels survey. We find that the mock spectra reproduce reasonably well a large majority (83%) of the vandels spectra ( χ 2 < 2), but do not resemble the most massive objects (⪆10 10 M ⊙ ), which exhibit broad absorption features. Interestingly, the best-matching mock spectra originate from periods of intense star formation in the virtual galaxy, where its luminosity is 4 times higher than in periods of relative quiescence. Furthermore, for each galaxy, we predict the Lyman continuum (LyC) escape fractions ( f esc  ( pred ) LyC ) using the environment of the virtual galaxy. We derive an average f esc  ( pred ) LyC of 0.01 ± 0.02, consistent with other estimates from the literature. The f esc  ( pred ) LyC are tightly correlated with the Ly α escape fractions and highly consistent with observed empirical trends. Additionally, galaxies with larger f esc  ( pred ) LyC exhibit bluer β slopes, more Ly α flux, and weaker low-ionization absorption lines. Building upon the good agreement between f esc  ( pred ) LyC and observationally established LyC diagnostics, we examine the LyC leakage mechanisms in the simulation. We find that LyC photon leakage is enhanced in directions where the observed flux dominantly emerges from compact regions depleted of neutral gas and dust, mirroring the scenario inferred from observational data. In general, this study further highlights the potential of high-resolution radiation hydrodynamics simulations in analyzing UV absorption and emission line features and providing valuable insights into the LyC leakage of star-forming galaxies.

Abstract To study the chemical evolution across cosmic epochs, we investigate Ne, S, Cl, and Ar abundance patterns in the Cosmic Origins Spectrograph Legacy Archive Spectroscopic SurveY (CLASSY). CLASSY comprises local star-forming galaxies (SFGs; 0.02 < z < 0.18) with enhanced star formation rates, making them strong analogues to high- z SFGs. With direct measurements of electron temperature, we derive accurate ionic abundances for all elements and assess ionization correction factors (ICFs) to account for unseen ions and derive total abundances. We find Ne/O, S/O, Cl/O, and Ar/O exhibit constant trends with gas-phase metallicity for 12+log(O/H) < 8.5 but significant correlation for Ne/O and Ar/O with metallicity for 12+log(O/H) > 8.5, likely due to ICFs. Thus, the applicability of the ICFs to integrated spectra of galaxies could bias results, underestimating true abundance ratios. Using CLASSY as a local reference, we assess the evolution of Ne/O, S/O, and Ar/O in galaxies at z > 3, finding no cosmic evolution of Ne/O, while the lack of direct abundance determinations for S/O and Ar/O can bias the interpretation of the evolution of these elements. We determine the fundamental metallicity relationship (FMR) for CLASSY and compare to the high-redshift FMR, finding no evolution. Finally, we perform the first mass–neon relationship analysis across cosmic epochs, finding a slight evolution to high Ne at later epochs. The robust abundance patterns of CLASSY galaxies and their broad range of physical properties provide essential benchmarks for interpreting the chemical enrichment of the early galaxies observed with the JWST.

Abstract The advent of the JWST has revolutionised our understanding of high-redshift galaxies. In particular, the NIRCam instrument on-board JWST has revealed a population of red galaxies that had largely evaded detection with HST, potentially due to significant dust obscuration, quiescence, or extreme redshift. Here, we present the first NIRSpec spectra of 23 red, HST faint or dark galaxies galaxies (H-F444W &gt; 1.75), unveiling their nature and physical properties. This sample includes both dusty and quiescent galaxies with spectroscopic data from NIRSpec/PRISM, providing accurate spectroscopic redshifts with $\mathrm{\overline{z}_{spec} = 4.1 \pm 0.7}$. The spectral features demonstrate that, while the majority of red galaxies are dusty, a substantial fraction, $\mathrm{13^{+9}_{-6} \%}$, are quiescent. For the dusty galaxies, we have quantified the dust attenuation using the Balmer decrement (Hα/Hβ), finding attenuations AV &gt; 2 mag. We find that red dusty galaxies are Hαemitters with equivalent widths spanning the range 68Å &lt;EWHα &lt; 550Å, indicative of a wide range of recent star-formation activity. Whether dusty or quiescent, we find that red galaxies are predominantly massive, with 85 % of the galaxies in the sample having masses $\mathrm{log(M_{*}/{\rm M}_{\odot }) &gt; 9.8}$. This pilot NIRSpec program reveals the diverse nature of HST-dark galaxies and highlights the effectiveness of NIRSpec/PRISM spectroscopic follow-up in distinguishing between dusty and quiescent galaxies and properly quantifying their physical properties. Upcoming research utilising higher-resolution NIRSpec data and combining JWST with ALMA observations will enhance our understanding of these enigmatic and challenging sources.