A massive compact quiescent galaxy at z = 2 with a complete Einstein ring in JWST imaging
Pieter van Dokkum, Gabriel Brammer, Bingjie Wang, Joel Leja, Charlie Conroy
Abstract
Abstract One of the surprising results from the Hubble Space Telescope was the discovery that many of the most massive galaxies at redshift z ≈ 2 are very compact, having a half-light radius of only 1−2 kpc. The interpretation is that massive galaxies formed inside out, with their cores largely in place by z ≈ 2 and approximately half of their present-day mass added later through minor mergers. Here we present a compact, massive, quiescent galaxy at a photometric redshift of $${z}_{{{{\rm{phot}}}}}=1.9{4}_{-0.17}^{+0.13}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>z</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>phot</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>1.9</mml:mn> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.17</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.13</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:mrow> </mml:math> with a complete Einstein ring. The ring was found in the James Webb Space Telescope COSMOS-Web survey and is produced by a background galaxy at $${z}_{{{{\rm{phot}}}}}=2.9{8}_{-0.47}^{+0.42}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>z</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>phot</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>2.9</mml:mn> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>8</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.47</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.42</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:mrow> </mml:math> . Its 1.54 ″ diameter provides a direct measurement of the mass of the ‘pristine’ core of a massive galaxy, observed before the mixing and dilution of its stellar population during the 10 Gyr of galaxy evolution between z = 2 and z = 0. We find a mass for the lens $${M}_{{{{\rm{lens}}}}}=6.{5}_{-1.5}^{+3.7}\times 1{0}^{11}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>lens</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>6</mml:mn> <mml:mo>.</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1.5</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>3.7</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>11</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> M ⊙ within a radius of 6.6 kpc. The stellar mass within the same radius is $${M}_{{{{\rm{stars}}}}}=1.{1}_{-0.3}^{+0.2}\times 1{0}^{11}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>stars</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>.</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.3</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>11</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> M ⊙ for a Chabrier initial mass function and the fiducial dark matter mass is $${M}_{{{{\rm{dm}}}}}=2.{6}_{-0.7}^{+1.6}\times 1{0}^{11}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>M</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>dm</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>.</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mn>6</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>0.7</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>1.6</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>11</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> M ⊙ . Additional mass appears to be needed to explain the lensing results, either in the form of a higher-than-expected dark matter density or a bottom-heavy initial mass function.