Dissecting galaxies at Cosmic Noon: morphology and structure with JWST

Abstract

Stellar bars are key drivers of galaxy evolution and are fundamental observables related to the time when galaxies are dynamically cold and secular evolution take over chaotic build-up across cosmic time. In this context, the advent of the James Webb Space Telescope (JWST) opened a new window to study barred disk galaxies at Cosmic Noon, revealing an unexpected population of these galaxies at the highest redshifts (up to z = 4). However, detailed morphological studies beyond z = 1 are mostly limited by visual classification. In this work, we present a detailed structural analysis of a sample of 34 barred disk galaxies at 1.5 ≤ z ≤ 4.0 using JWST/NIRCam imaging data from the Cosmic Evolution Early Release Science survey. We analyzed the surface brightness of these galaxies using ellipse fitting and Fourier modeling, with the goal of providing a quantitative classification of stellar bars and measure their length and strength for the first time at these redshifts. Through ellipse fitting, we found that 20 galaxies in our sample present a stellar bar, with mean projected length of 3.4 ± 1.1 kpc. This is a remarkable result, since bars were thought to grow in size and reach such lengths only at z < 1. Furthermore, through Fourier modeling we successfully derived the strength of 10 out of 20 barred galaxies, finding that seven host weak bars (0.2 < S < 0.4) and three host strong bars (S ≥ 0.4). Remarkably, this represents the first measurement of the stellar bar strength at these redshifts, which is fundamental to constraint recent theoretical models and cosmological simulations, still unable to reproduce the abundance and observed properties of barred disk galaxies at Cosmic Noon.Las barras estelares desempeñan un papel fundamental en la evolución de galaxias, y son observables fundamentales del momento en el que las galaxias se vuelven dinámicamente frías y la evolución secular domina sobre la evolución caótica durante el tiempo cósmico. En este contexto, el lanzamiento del James Webb Space Telescope (JWST) abrió una nueva puerta al estudio de las galaxias barradas en la época del Mediodía Cósmico, revelando una población inesperada de estas galaxias a los redshifts más altos (hasta z = 4). Sin embargo, estudios morfológicos detallados más allá de z = 1 están, en su mayor parte, limitados a clasificaciones visuales. En este trabajo presentamos un análisis estructural detallado de una muestra de 34 galaxias barradas de disco a 1.5 < z < 4.0, usando datos tomados por JWST/NIRCam como parte del Cosmic Evolution Early Release Science Survey. Analizamos el brillo superficial de estas galaxias utilizando ajuste de elipses y modelado de Fourier, con el objetivo de proporcionar una clasificación cuantitativa de sus barras estelares, además de medir la longitud y fuerza de las mismas por primera vez a estos redshifts. A través del ajuste de elipses, encontramos 20 galaxias barradas en nuestra muestra, con una longitud proyectada media de 3.4 ± 1.1 kpc. Este resultado es de gran importancia, ya que hasta ahora se creía que las barras crecían con el tiempo y solo alcanzaban estas longitudes a z < 1. Además, a través del modelado de Fourier derivamos la fuerza de 10 de las 20 galaxias barradas de la muestra, encontrando que siete tienen barras débiles (0.2 < S < 0.4) y tres tienen barras fuertes (S ≥ 0.4). En este trabajo se presenta la primera medida de la fuerza de barras estelares a estos redshifts, algo que es fundamental para constreñir modelos teóricos recientes y simulaciones cosmológicas, las cuales aún no son capaces de reproducir la abundancia y propiedades observacionales de las galaxias barradas de disco en el Cosmic Noon.