We conduct a comprehensive study on dropout galaxy candidates at $z\sim9-16$ using the first 90 arcmin$^2$ JWST/NIRCam images taken by the early release observations (ERO) and early release science (ERS) programs. With the JWST simulation images, we find that a number of foreground interlopers are selected with a weak photo-$z$ determination ($\Delta\chi^2>4$). We thus carefully apply a secure photo-$z$ selection criterion ($\Delta\chi^2>9$) and conventional color criteria with confirmations of the ERO NIRSpec spectroscopic redshifts, and obtain a total of 23 dropout galaxies at $z\sim9-16$, including two candidates at $z_\mathrm{phot}=16.25_{-0.46}^{+0.24}$ and $16.41_{-0.55}^{+0.66}$. We perform thorough comparisons of dropout galaxies found in our work with recent JWST studies, and conclude that our galaxy sample is reliable enough for statistical analyses. We derive the UV luminosity functions at $z\sim9-16$, and confirm that our UV luminosity functions at $z\sim 9$ and $12$ agree with those determined by other HST and JWST studies. The cosmic star-formation rate density decreases from $z\sim9$ to $12$, and perhaps to $16$, but the densities at $z\sim12-16$ are higher than the constant star formation efficiency model. Interestingly, there are six bright galaxy candidates at $z\sim10-16$ with $M_\mathrm{UV}<-19.5$ mag and $M_*\sim10^{8-9} M_\odot$. Because a majority ($\sim80$\%) of these galaxies show no signatures of AGNs in their morphologies, the high cosmic star-formation rate densities and the existence of these UV-luminous galaxies are explained by no suppression of star-formation by the UV background radiation at the pre-reionization epoch and/or an efficient UV radiation production by a top-heavy IMF with Population III-like star formation.

Abstract We investigate the dynamics of GN-z11, a luminous galaxy at z = 10.60, carefully analyzing the public deep integral field spectroscopy (IFS) data taken with the JWST NIRSpec integral field unit. While the observations of the IFS data originally targeted an He ii clump near GN-z11, we find that the C iii ] λ λ 1907, 1909 emission from ionized gas at GN-z11 is bright and spatially extended significantly beyond the point-spread function (PSF). The spatially extended C iii ] emission of GN-z11 shows a velocity gradient with red- and blueshifted components in the north and south directions, respectively, which cannot be explained by the variation of the [C iii ] λ 1907/C iii ] λ 1909 line ratios. Assuming the velocity gradient is produced by disk rotation, we perform forward modeling with GalPak 3D , including the effects of PSF smearing and line blending, and obtain a rotation velocity of v rot = 257 − 117 + 138 km s −1 , a velocity dispersion of σ v = 91 − 32 + 18 km s −1 , and a ratio of v rot / σ v = 2.83 − 1.41 + 1.82 . The v rot / σ v value would suggest a rotation-dominated disk existing at z > 10, albeit with large uncertainties. The rotation velocity agrees with those of numerical simulations predicting a rotating disk formed in the early Universe under the conditions of mass compaction and weak feedback. While the velocity gradient is consistent with the rotating-disk solution, we recognize that galactic outflows can also explain the velocity gradient, as well as the extended morphology and the high velocity dispersion found in the outskirts. Higher-signal-to-noise-ratio and higher-resolution data are necessary to conclude the physical origin of the velocity gradient in GN-z11.