[論文レビュー] Early results from GLASS-JWST. XIV: A spectroscopically confirmed protocluster 650 million years after the Big Bang

Takahiro Morishita, Guido Roberts-Borsani+40 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 7

ひとこと要約

JWSTのNIRSpecを用いて、ビッグバン後6億5000万年（z=7.88）のプロトクラスタを分光的に確認した。アベル2744領域で60 kpcの範囲内に7つの銀河を同定した。この系は24倍の過密度を示し、速度分散は1100±200 km s⁻¹であり、ホール質量推定値は≥4×10¹¹ M☉に達する。これは再イオン化時代に形成された巨大で初期の構造であることを示唆する。

ABSTRACT

We present the spectroscopic confirmation of a protocluster at $z=7.88$ behind the galaxy cluster Abell2744 (hereafter A2744-z7p9OD). Using JWST NIRSpec, we find seven galaxies within a projected radius of 60kpc. Although the galaxies reside in an overdensity around $>20 imes$ greater than a random volume, they do not show strong Lyman-alpha emission. We place 2-$σ$ upper limits on the rest-frame equivalent width $<16$-$28$AA. Based on the tight upper limits to the Lyman-alpha emission, we constrain the volume-averaged neutral fraction of hydrogen in the intergalactic medium to be $x_{ m HI} > 0.45$ (68% CI). Using an empirical $M_{ m UV}$-$M_{ m halo}$ relation for individual galaxies, we estimate that the total halo mass of the system is $\gtrsim 4 imes10^{11}\,M_\odot$. Likewise, the line of sight velocity dispersion is estimated to be $1100 \pm 200$km/s. Using an empirical relation, we estimate the present-day halo mass of A2744-z7p9OD to be $\sim2 imes10^{15}\,M_\odot$, comparable to the Coma cluster. A2744-z7p9OD is the highest redshift spectroscopically confirmed protocluster to date, demonstrating the power of JWST to investigate the connection between dark-matter halo assembly and galaxy formation at very early times with medium-deep observations at $<20$hrs total exposure time. Follow-up spectroscopy of the remaining photometric candidates of the overdensity will further refine the features of this system and help characterize the role of such overdensities in cosmic reionization.

研究の動機と目的

• JWST NIRSpecを用いて、z≈7.9の候補プロトクラスタ領域における高赤方偏移銀河の分光的確認を行う。
• プロトクラスタの過密度と速度分散を測定し、質量と動的状態を推定する。
• Lyα放射限界を用いて、銀河間媒体の中性水素分率を制約する。
• 経験的ホール質量関係を用いて、プロトクラスタの現在の質量を推定する。
• 宇宙再イオン化期における初期銀河の物理的性質が環境にどのように依存するかを評価する。

提案手法

• マイクロシャッターアレイ（MSA）を用いたJWST NIRSpecのマルチオブジェクト分光観測により、光度的に選別された候補の赤方偏移を取得した。
• [O iii] λ5007および他のリスフォーム光学線を同定し、Lyα放射に依存しない独立した赤方偏移の確認を行った。
• 60 kpcの投影半径内での確認銀河数から、過密度δ = 24₋₁₂⁺⁸を計算した。
• メンバー銀河の赤方偏移分布から、速度分散σ = 1100±200 km s⁻¹を測定した。
• 全ホール質量を推定するために、経験的M_UV–M_halo関係を用いた。
• 宇宙論的シミュレーションを用いて、現在の質量を予測し、さらなる分光的フォローアップの必要性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アベル2744領域におけるz≈7.9の候補プロトクラスタメンバーの分光的赤方偏移は何か？
• RQ2 確認された銀河系の過密度と速度分散は何か？ これらは質量と動的状態にどのような示唆を含むか？
• RQ3 Lyα放射限界に基づいて、銀河間媒体の水素分率にどのような制約を課せられるか？
• RQ4 プロトクラスタの全ホール質量は推定されるか？ これは地上の巨大クラスタと比べてどうか？
• RQ5 z≈7.9における初期銀河の環境がその物理的性質に与える影響は何か？ これにより再イオン化の理解はどのように進むか？

主な発見

• 60 kpcの半径内に7つの銀河が分光的にz=7.88で確認され、24倍の過密度を示すプロトクラスタを形成した。
• この系の速度分散は1100±200 km s⁻¹であり、動的に高温で質量の大きな構造であることを示している。
• プロトクラスタの全ホール質量は≥4×10¹¹ M☉と推定され、現在の質量は2.2₋₀.₆⁺⁰.₉×10¹⁵ M☉に達し、コマ銀河団と同等の規模である。
• Lyα放射は強く抑制されており、リスフォーム等価幅の2σ上限は16–28 Åであり、体積平均の中性水素分率x_HI > 0.45であると示唆される。
• z>7の候補の赤方偏移同定において、リスフォーム光学線を用いた成功率は100％であり、文献に5つの新しい確認源を追加した。
• YD4の再評価により、視線方向に2つの異なる源が重なっていることが判明し、その解釈にあった以前の曖昧さが解消された。