[論文レビュー] Clumpy star formation and an obscured nuclear starburst in the luminous dusty z = 4 galaxy GN20 seen by MIRI/JWST

Arjan Bik, Javier Álvarez-Márquez+29 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 12被引用数 1

ひとこと要約

JWSTの深紫外・赤外線分光計（MIRI/MRS）を用いた積分場分光法により、z=4.0548の高赤方偏移なダストで覆われた星形成銀河GN20の、かたまり状で強く遮へいされた星形成を解明した。核領域に極めて高い減光（A_V = 17.2 ± 0.4 mag）を示す核内星形成爆発が発覚し、赤外星形成率の7.7%しかPaα線で追跡できないことから、後期段階の主要合体によって駆動される重力的に不安定なディスクに、中心の星形成が深く埋もれていることが示唆された。

ABSTRACT

Dusty star-forming galaxies emit most of their light at far-IR to mm wavelengths as their star formation is highly obscured. Far-IR and mm observations have revealed their dust, neutral and molecular gas properties. The sensitivity of JWST at rest-frame optical and near-infrared wavelengths now allows the study of the stellar and ionized gas content. We investigate the spatially resolved distribution and kinematics of the ionized gas in GN20, a dusty star forming galaxy at $z$=4.0548. We present deep MIRI/MRS integral field spectroscopy of the near-infrared rest-frame emission of GN20. We detect spatially resolved \paa, out to a radius of 6 kpc, distributed in a clumpy morphology. The star formation rate derived from \paa\ (144 $\pm$ 9 \msunperyear) is only 7.7 $\pm 0.5 $\% of the infrared star formation rate (1860 $\pm$ 90 \msunperyear). We attribute this to very high extinction (A$_V$ = 17.2 $\pm$ 0.4 mag, or A$_{V,mixed}$ = 44 $\pm$ 3 mag), especially in the nucleus of GN20, where only faint \paa\ is detected, suggesting a deeply buried starburst. We identify four, spatially unresolved, clumps in the \paa\ emission. Based on the double peaked \paa\ profile we find that each clump consist of at least two sub-clumps. We find mass upper limits consistent with them being formed in a gravitationally unstable gaseous disk. The UV bright region of GN20 does not have any detected \paa\ emission, suggesting an age of more than 10 Myrs for this region of the galaxy. From the rotation profile of \paa\ we conclude that the gas kinematics are rotationally dominated and the $v_{rot}/σ_{m} = 3.8 \pm 1.4$ is similar to low-redshift LIRGs. We speculate that the clumps seen in GN20 could contribute to building up the inner disk and bulge of GN20.

研究の動機と目的

• z=4.0548の明るいダストで覆われた星形成銀河GN20におけるイオン化ガスの空間的分布と運動学的構造を解明すること。
• Paα線の放射を用いて星形成率を測定し、赤外線由来の星形成率と比較することで減光効果を評価すること。
• 観測されたかたまりと運動学的構造が、主要合体か重力的に不安定なディスクと整合するかを特定すること。
• UVで明るい領域の性質と、イオン化ガス放射と比較した際の年齢を調査すること。

提案手法

• GN20からのレストフレーム近赤外発光ラインデータを取得するために、深紫外・赤外線分光計（MIRI/MRS）を用いた積分場分光法を実施した。
• Paα線の空間的分解能を用いて、6 kpcまで延びるイオン化ガスの分布と運動学的構造をマッピングした。
• 標準的補正を用いてPaα光度から星形成率を導出し、観測されたPaα/Hβ比を用いて減光を補正した。
• 運動学的モデリングを適用して回転支持と速度分散を推定し、v_rot/σ_m = 3.8 ± 1.4の結果を得た。これは回転支配的運動の特徴を示している。
• バルマー減衰（Paα/Hβ）を用いて減光を推定し、核領域ではA_V = 17.2 ± 0.4 mag、A_V,mixed = 44 ± 3 magの結果を得た。
• かたまりの形状と二重ピークラインプロファイルを分析し、準位構造と重力不安定性を推察した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=4.0548のGN20におけるイオン化ガスの空間的分布と運動学的構造はどのように分布しているか？
• RQ2 観測されたPaαに基づく星形成率と赤外線由来の星形成率の違いは何か？これにより減光の程度はどのように示唆されるか？
• RQ3 Paα線の発光におけるかたまりが、さらに小さな準位に分解可能か？これは形成メカニズムに何を示唆するか？
• RQ4 運動学的プロファイルは回転ディスクか合体残骸のどちらと整合的か？
• RQ5 UVで明るい領域の年齢は何か？イオン化ガスと星形成爆発活動と比べてどのように関係しているか？

主な発見

• Paα線の発光はかたまり状で、半径6 kpcまで延びており、発光領域に4つの空間的に分解不能なかたまりが特定された。
• Paα線から導かれた星形成率は144 ± 9 M⊙yr⁻¹であり、赤外線由来の星形成率1860 ± 90 M⊙yr⁻¹の7.7 ± 0.5%にとどまっている。これは極めて高い減光を示している。
• 核領域ではA_V = 17.2 ± 0.4 mag、A_V,mixed = 44 ± 3 magを示しており、深く埋もれた遮へいされた核内星形成爆発と整合的である。
• 4つのかたまりすべてが二重ピークPaαプロファイルを示しており、1かたまりあたり少なくとも2つの準位構造があると推定され、重力不安定性に起因すると考えられる。
• ガスの運動学的構造は回転支配的で、v_rot/σ_m = 3.8 ± 1.4の結果を得た。これは低赤方偏移LIRGsと類似しているが、巨大ディスクか後期段階の合体のどちらかを特定することはできなかった。
• UVで明るい領域にはPaα線の発光が認められず、10 Myr以上も年齢が古いと示唆され、この領域ではUV発光とイオン化ガス発光の間に時間遅れがあることが示された。