[論文レビュー] Bubbles and outflows: the novel JWST/NIRSpec view of the z=1.59 obscured quasar XID2028

G. Cresci, G. Tozzi+21 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

JWST/NIRSpec IFU観測を用いて、この研究では、z=1.59の遮蔽されたクェーサーXID2028において、複雑でジェット駆動の拡張バブルが明らかになった。低輝度の電波ジェットが、高温で低表面輝度のバブルを形成し、高速で広がるイオン化された噴流を駆動している。データは、全質量噴流速度が約110 M☉/yrに達する多相性の噴流を確認し、高赤方偏移におけるAGNフィードバックにおいて電波ジェットが果たす重要な役割を示している。

ABSTRACT

Quasar feedback in the form of powerful outflows is invoked as a key mechanism to quench star formation in galaxies, although direct observational evidence is still scarce and debated. Here we present Early Release Science JWST NIRSpec IFU observations of the z=1.59 prototypical obscured Active Galactic Nucleus (AGN) XID2028: This target represents a unique test case for studying quasar feedback at the peak epoch of AGN-galaxy co-evolution because extensive multi-wavelength coverage is available and a massive and extended outflow is detected in the ionised and molecular components. With the unprecedented sensitivity and spatial resolution of the JWST, the NIRSpec dataset reveals a wealth of structures in the ionised gas kinematics and morphology that were previously hidden in the seeing-limited ground-based data. In particular, we find evidence of an interaction between the interstellar medium of the galaxy and the quasar-driven outflow and radio jet that produces an expanding bubble from which the fast and extended wind detected in previous observations emerges. The new observations confirm the complex interplay between the AGN jet, wind and the interstellar medium of the host galaxy, highlighting the role of low-luminosity radio jets in AGN feedback. They also clearly show the new window that NIRSpec opens for detailed studies of feedback at high redshift.

研究の動機と目的

• z=1.59の代表的な遮蔽されたAGNが、銀河進化のピークエポックに置かれた状況下で、クェーサーのフィードバックを駆動する物理的メカニズムを調査すること。
• これまでにない空間的・スペクトル的分解能を用いて、イオン化ガス、中性ガス、分子ガスの噴流の運動学的および形態的構造を解明すること。
• 低輝度電波ジェットが、宿主銀河のISM内での噴流の駆動および形状形成に果たす役割を特定すること。
• イオン化ガス、中性ガス、分子ガスの各相におけるエネルギー収支と質量噴流速度を定量化すること。
• ジェット-ISM相互作用によって生じる拡張バブルが、同時に負のフィードバックと正のフィードバックを駆動できるという仮説を検証すること。

提案手法

• 近赤外（1–5 μm）領域で、JWST/NIRSpecを用いた深さのある空間分解能を持つIFU分光観測を実施し、イオン化ガスの運動学的および形態的構造をマッピングすること。
• 3次元放射線輸送モデル（MOKA^3D）を用いて、拡張バブルおよびコリメートされた噴流の幾何構造を再現し、観測された運動学的特徴と一致させる。
• 空間分解能を持つスペクトルからの診断ライン比（例：[SII]/Hα、[OII]/Hβ）を用いて、噴流内の減光および電子密度を直接測定すること。
• アーカイブ済みのVLA 3 GHzデータを用いて電波構造のクロス同定を行い、電波ジェット発光とイオン化噴流の形態的関係を相関させること。
• 発光ラインの運動学的分解と覆い範囲因子およびイオン化分率の仮定に基づき、質量噴流速度を推定すること。
• 観測された噴流エネルギー収支を理論的フィードバック閾値と比較し、消滅の可能性を評価すること。

Figure 1: H $\beta$ (left panel) and H $\alpha$ (right panel) spectral region fit in $5\times 5$ NIRSpec spaxels centred on the QSO position. In the upper panels, the data are shown in black, and the best-fitting broad line region components (e.g. H $\beta$ , H $\alpha$ , and FeII) are shown in blue

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XID2028における広がったイオン化噴流の起源と形態は何か。また、電波ジェットとはどのように関係しているか。
• RQ2 イオン化ガス、中性ガス、分子ガスの各相の運動学的性質は、フィードバックプロセスにおいてどのように関連しているか。
• RQ3 低輝度電波ジェットが、高赤方偏移の遮蔽されたクェーサーにおける大規模な噴流を駆動するにあたり、どの程度の貢献をしているか。
• RQ4 全ガス相を合わせた総質量噴流速度は何か。また、星形成速度を上回っているか。
• RQ5 観測された拡張バブル構造は、観測された運動学的特徴とフィードバック効率を同時に説明できるか。

主な発見

• NIRSpecデータは、イオン化ガスにフィラメント状の拡張バブル構造を明らかにした。このバブルの縁縁部に発光が強化されており、これは宿主銀河のISMと相互作用する低輝度電波ジェットによって駆動されている。
• バブルの運動学的特徴は、球対称な拡張シェルとコリメートされた噴流を組み合わせた3次元モデルによって最もよく再現され、噴流のジェット駆動起源を確認した。
• イオン化ガスの質量噴流速度は6 ± 3 M☉/yrと測定され、運動エネルギーは約2 × 10^42 erg s⁻¹に達しており、顕著なフィードバックエネルギー入力が示唆された。
• ナトリウムD線のブルーシフト吸収から中性ガスの噴流速度は約30 M☉/yrと推定され、以前のMgIIに基づく推定と整合的であった。
• イオン化ガス、中性ガス、分子ガスの全相を合わせた総質量噴流速度は約110 M☉/yrに達し、ガスの枯渇時間スケールはわずか約30 Myrであると示唆された。
• 観測されたフィードバック幾何構造は、ガスの除去による負のフィードバックと、圧縮誘発星形成による潜在的な正のフィードバックの両方を支持しているが、星形成からの残留Hα発光は検出されなかった。

Figure 2: Representative examples of our multi-component fitting of H $\beta$ and [OIII] emission lines in single spaxels from three different regions of the galaxy, as marked with coloured crosses in Fig. 3 . From the top, the panels refer to a nuclear region spaxel, to a filament spaxel (see text)