[論文レビュー] Detection of stellar light from quasar host galaxies at redshifts above 6

Xuheng Ding, Masafusa Onoue+42 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、NIRSpecおよびNIRCam観測を用いて、赤方偏移6を超える領域におけるクェーサー宿主銀河からの星間光の最初の頑健な検出を報告する。クェーサー連続スペクトル放出における宿主銀河の混入を補正した。解析により、J2236+0032およびJ2255+0251のそれぞれについて、(1.36 ± 0.15) × 10⁹ M☉および(1.97 ± 0.17) × 10⁸ M☉の準拡張ブラックホール質量が得られ、特にJ2236+0032では宿主星間光が観測された放射に顕著に寄与していることが判明した。

ABSTRACT

The detection of starlight from the host galaxies of quasars during the reionization epoch ($z>6$) has been elusive, even with deep HST observations. The current highest redshift quasar host detected, at $z=4.5$, required the magnifying effect of a foreground lensing galaxy. Low-luminosity quasars from the Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program (HSC-SSP) mitigate the challenge of detecting their underlying, previously-undetected host galaxies. Here we report rest-frame optical images and spectroscopy of two HSC-SSP quasars at $z>6$ with JWST. Using NIRCam imaging at 3.6$μ$m and 1.5$μ$m and subtracting the light from the unresolved quasars, we find that the host galaxies are massive (stellar masses of $13 imes$ and $3.4 imes$ $10^{10}$ M$_{\odot}$, respectively), compact, and disk-like. NIRSpec medium-resolution spectroscopy shows stellar absorption lines in the more massive quasar, confirming the detection of the host. Velocity-broadened gas in the vicinity of these quasars enables measurements of their black hole masses ($1.4 imes 10^9$ and $2.0 imes$ $10^{8}$ M$_{\odot}$, respectively). Their location in the black hole mass - stellar mass plane is consistent with the distribution at low redshift, suggesting that the relation between black holes and their host galaxies was already in place less than a billion years after the Big Bang.

研究の動機と目的

• 赤方偏移6を超える領域におけるクェーサー宿主銀河からの星間光を検出・定量すること。これは初期銀河およびブラックホール進化の重要な段階である。
• クェーサー連続スペクトル放出における宿主銀河の混入を補正し、正確なブラックホール質量推定値を得ること。
• 幅広帯域フィルターモノクロマチック測光における、幅広帯域フィルターモノクロマチック測光に与える、狭線領域発光（Hβ + [O iii]）の寄与と、星質量推定値への影響を評価すること。
• さまざまな進化シナリオに基づき、高赤方偏移クェーサーがブラックホール質量–星質量平面に予想される位置をモデル化すること。
• 観測データとモックシミュレーションを用いて、z ≈ 6におけるブラックホール質量対星質量比（M_BH/M_*）の進化を制限すること。

提案手法

• 赤方偏移約6.4の2つの高赤方偏移クェーサー（J2236+0032およびJ2255+0251）について、JWST/NIRSpecおよびNIRCam観測を用い、高分解能分光および画像を取得した。
• 2次元分光法を用いたクェーサー分解法を適用し、非分解のクェーサー成分にガウス分布をフィットして差し引くことで、空間的に広がった宿主銀河発光を分離した。
• 分光スリット開口部内での広がった[O iii]発光と宿主銀河光との間のフラックス比を計算し、狭線領域からの混入を定量化した。
• 参考文献25の局所的なM_BH/M_*比と更新されたEddington率分布を用いて、z = 6.4におけるモッククェーサーおよび宿主銀河サンプルを作成し、M_BH–M_*平面における予想位置をモデル化した。
• M_*の観測誤差およびM_BHの固有分散をモンテカルロサンプリングで組み込み、選別関数に一致させるためにマグニチュードカット（−23.9 < M_1450 < −23.8）を適用した。
• 二変量確率分布を用いて、M_BH/M_* ∝ (1+z)^γにおける進化指数γを制限し、68%信頼区間としてγ ∈ [−0.40, 0.84]を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移6を超える高赤方偏移クェーサーの観測連続スペクトル放出のうち、どれくらいがアクティブ核ではなく宿主銀河由来のものであるか？
• RQ2 星質量推定値に与える、幅広帯域フィルターモノクロマチック測光における、狭線領域発光（Hβ + [O iii]）の寄与はどの程度顕著か？
• RQ3 5100 Å連続スペクトル放出における宿主銀河の混入を補正した後、ブラックホール質量はどのように修正されるか？
• RQ4 高赤方偏移クェーサーはブラックホール質量–星質量平面のどこに位置するのか？ これはM_BH/M_*比の進化にどのような含意をもたらすか？
• RQ5 観測データとモックシミュレーションを踏まえると、z ≈ 6におけるM_BH/M_*比の許容される進化範囲は何か？

主な発見

• 赤方偏移約6.4のJ2236+0032およびJ2255+0251において、NIRSpec G395Mスペクトルでクェーサー宿主銀河からの星間光が頑健に検出された。それぞれ宿主の寄与は約20%および約10%であった。
• 宿主銀河の混入を補正した後、J2236+0032の準拡張ブラックホール質量は(1.36 ± 0.15) × 10⁹ M☉に修正された。
• J2255+0251の準拡張ブラックホール質量は(1.97 ± 0.17) × 10⁸ M☉に修正され、観測された放射に顕著な宿主寄与が確認された。
• J2255+0251では、スリット開口部内でのF356Wバンドで[O iii]発光が全フラックスの11%を占めていたが、大部分は非分解のクェーサー発光として認識され、分解法により除去された。
• J2236+0032では、[O iii]発光が宿主銀河フラックスの約3%に留まり、Hβ発光は検出されなかった。
• M_BH/M_* ∝ (1+z)^γにおける進化指数γは、68%信頼区間で−0.40から+0.84の範囲に制限され、z ≈ 6におけるM_BH/M_*比に強い進化はなく、やや緩やかな成長が示唆された。