Local Pitch Angles of Galactic Structures in Nearby Galaxies with JWST: I. Spiral Arms and Interarm Substructures in Disk-Dominated Systems

Auteurs : Stella Faria-Costa, Irapuan Rodrigues, Ivânio Puerari

Soumis à arXiv le 06 Nov. 2026

Résumé scientifique

We present a spatially resolved study of spiral arms and feather substructures in seven nearby galaxies observed with JWST. Using eight images per galaxy, from four NIRCam and four MIRI filters, we combine a two-dimensional Fourier transform (2D-FT) with a circular-window correlation method to measure both global and local pitch angles. The 2D-FT identifies the dominant azimuthal mode and the corresponding $p_{\rm max}$, allowing us to reconstruct the spiral pattern and define arm and interarm masks. We then apply cosine filters with different pitch angles and window sizes in the $(\ln (R),θ)$ plane to map the pitch-angle distribution across multiple spatial scales. NIRCam images provide the most robust measurements of the main spiral pattern, whereas MIRI data reveal dusty interarm features, particularly feathers, with greater contrast at the smallest window size ($D_w=0.25$). Across the sample, the main arms typically have $|α|\simeq15^\circ$--$30^\circ$, while feathers show systematically larger values, often above $50^\circ$. These results demonstrate that pitch angle is scale dependent and that different structural components within the same galaxy can occupy distinct angular regimes. NIRCam and MIRI therefore offer complementary views of spiral structure, with the former tracing the large-scale stellar backbone and the latter exposing finer dust substructures. Together with the companion study of barred galaxies, this work provides a common framework for using local pitch angles to investigate distinct dynamical environments in nearby galaxies.

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JWST Reveals a Surprisingly High Fraction of Galaxies Being Spiral-like at $0.5\leq z\leq4$
Vicki Kuhn, Yicheng Guo, Alec Martin et al. · 2023 · Astrophysics of Galaxies · cité 32 fois · Pas encore résumé

Cette étude recense visuellement les galaxies spirales à grand redshift avec JWST, tandis que l’article mesure les angles de pas des bras dans des galaxies proches.

Résumé scientifique
Spiral arms are one of the most important features used to classify the morphology of local galaxies. The cosmic epoch when spiral arms first appeared contains essential clues to their formation mechanisms as well as the overall galaxy evolution. In this letter, we used James Webb Space Telescope (JWST) images from the Cosmic Evolution Early Release Science Survey to visually identify spiral galaxies with redshift $0.5\leq z\leq4$ and stellar mass $\geq10^{10}\; M_\odot$. Out of 873 galaxies, 216 were found to have a spiral structure. The spiral galaxies in our sample have higher star formation rates (SFRs) and larger sizes than non-spiral galaxies. We found the observed spiral fraction decr…
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JWST Imaging of Edge-on Protoplanetary Disks. V. Flux Ratio Reversal and Disk-edge Structure in the Flying Saucer
Jie Ma, Karl R. Stapelfeldt, Marion Villenave et al. · 2026 · Earth and Planetary Astrophysics · Résumé IA disponible

Cette étude caractérise en infrarouge la poussière et la structure d’un disque protoplanétaire, plutôt que les bras spiraux de galaxies.

En bref
Les images du Flying Saucer révèlent une inversion de luminosité compatible avec un disque interne désaligné, des liserés attribués à la diffusion et une croissance des poussières.
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The Structure and Morphology of Galaxies during the Epoch of Reionization Revealed by JWST
Wen Sun, Luis C. Ho, Ming-Yang Zhuang et al. · 2023 · Astrophysics of Galaxies · cité 34 fois · Résumé IA disponible

Cette étude mesure les propriétés structurelles globales de galaxies à l’époque de la réionisation, tandis que l’article cartographie les angles de pas locaux de galaxies proches.

Résumé scientifique
We analyze 347 galaxies at redshift $4<z<9.5$ using JWST observations from the CEERS program by fitting a two-dimensional parametric model simultaneously to the seven-filter NIRCam images to measure the overall structural parameters and quantify the global properties of the galaxies in the rest-frame optical band. Particular attention is devoted to deriving robust uncertainties that include, among other factors, the influence of cosmological surface brightness dimming and resolution effects. Using the global Sérsic index ($n < 1.5$) and observed axial ratio ($q < 0.6$) as a guide, we place a conservative lower limit of $\sim 45\%$ on the incidence of galactic disks. Galaxies follow a relatio…
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Enhanced Sub-kpc Scale Star-formation: Results From A JWST Size Analysis of 339 Galaxies At 5<z<14
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Cette étude relie taille et masse stellaire de galaxies à grand redshift, tandis que l’article analyse la morphologie des bras et des sous-structures interbras proches.

Résumé scientifique
We present a comprehensive search and analysis of high-redshift galaxies in a suite of nine public JWST extragalactic fields taken in Cycle 1, covering a total effective search area of $\sim358{\rm arcmin^2}$. Through conservative ($8\sigma$) photometric selection, we identify 339 galaxies at $5<z<14$, with 109 having spectroscopic redshift measurements from the literature, including recent JWST NIRSpec observations. Our regression analysis reveals that the rest-frame UV size-stellar mass relation follows $R_{\rm eff}\propto M_*^{0.20\pm0.03}$, similar to that of star-forming galaxies at $z\sim3$, but scaled down in size by $\sim0.7$dex. We find a much slower rate for the average size evolut…
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JWST Imaging of Edge-on Protoplanetary Disks. IV. Mid-infrared Dust Scattering in the HH 30 disk
Ryo Tazaki, François Ménard, Gaspard Duchêne et al. · 2024 · Earth and Planetary Astrophysics · cité 12 fois · Résumé IA disponible

Cette étude observe la diffusion de la lumière par la poussière d’un disque protoplanétaire avec NIRCam et MIRI, instruments également employés pour les galaxies proches.

Résumé scientifique
We present near- and mid-infrared (IR) broadband imaging observations of the edge-on protoplanetary disk around HH 30 with the James Webb Space Telescope/Near Infrared Camera (NIRCam) and the Mid-Infrared Instrument (MIRI). We combine these observations with archival optical/near-IR scattered light images obtained with the Hubble Space Telescope (HST) and a millimeter-wavelength dust continuum image obtained with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) with the highest spatial resolution ever obtained for this target. Our multiwavelength images clearly reveal the vertical and radial segregation of micron-sized and sub-mm-sized grains in the disk. In the near- and mid-IR, the …
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Exciting spiral arms in protoplanetary discs from flybys
Jeremy L. Smallwood, Chao-Chin Yang, Zhaohuan Zhu et al. · 2023 · Earth and Planetary Astrophysics · cité 7 fois · Résumé IA disponible

Cette étude simule des bras spiraux induits par des survols dans des disques protoplanétaires et examine leur angle de pas, contrairement aux galaxies observées dans l’article.

Résumé scientifique
Spiral arms are observed in numerous protoplanetary discs. These spiral arms can be excited by companions, either on bound or unbound orbits. We simulate a scenario where an unbound perturber, i.e. a flyby, excites spiral arms during a periastron passage. We run three-dimensional hydrodynamical simulations of a parabolic flyby encountering a gaseous protoplanetary disc. The perturber mass ranges from $10\, \rm M_J$ to $1\, \rm M_{\odot}$. The perturber excites a two-armed spiral structure, with a more prominent spiral feature for higher mass perturbers. The two arms evolve over time, eventually winding up, consistent with previous works. We focus on analysing the pattern speed and pitch angl…
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CEERS Key Paper VII: JWST/MIRI Reveals a Faint Population of Galaxies at Cosmic Noon Unseen by Spitzer
Allison Kirkpatrick, Guang Yang, Aurelien Le Bail et al. · 2023 · Astrophysics of Galaxies · cité 2 fois · Résumé IA disponible

Cette étude utilise MIRI pour détecter des galaxies infrarouges faibles à midi cosmique, tandis que l’article exploite MIRI pour révéler des structures interbras poussiéreuses proches.

Résumé scientifique
The Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) program observed the Extended Groth Strip with the Mid-Infrared Instrument (MIRI) on the James Webb Space Telescope (JWST) in 2022. In this paper, we discuss the four MIRI pointings that observed with longer wavelength filters, including F770W, F1000W, F1280W, F1500W, F1800W, and F2100W. We compare the MIRI galaxies with the Spitzer/MIPS 24$\mu$m population in the EGS field. We find that MIRI can observe an order of magnitude deeper than MIPS in significantly shorter integration times, attributable to JWST's much larger aperture and MIRI's improved sensitivity. MIRI is exceptionally good at finding faint ($L_{\rm IR}<10^{10} L_\odot$) galaxi…
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Investigating the amplitude and rotation of the phase spiral in the Milky Way outer disc
S. Alinder, P. J. McMillan, T. Bensby · 2023 · Astrophysics of Galaxies · cité 7 fois · Résumé IA disponible

Cette étude caractérise une spirale de phase dans le disque externe de la Voie lactée, et non les bras spiraux des galaxies observées par JWST.

Résumé scientifique
Context: With the data releases from the astrometric space mission Gaia, the exploration of the structure of the Milky Way has developed in unprecedented detail and unveiled many previously unknown structures in the Galactic disc and halo. One such feature is the phase spiral where the stars in the Galactic disc form a spiral density pattern in the $Z-V_Z$ plane. Aims: We aim to characterize the shape, rotation, amplitude, and metallicity of the phase spiral in the outer disc of the Milky Way. This will allow us to better understand which physical processes caused the phase spiral and can give further clues to the Milky Way's past and the events that contributed to its current state. Methods…

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Mis à jour le 10 novembre 2026.

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