[論文レビュー] EIGER II. first spectroscopic characterisation of the young stars and ionised gas associated with strong H$β$ and [OIII] line-emission in galaxies at z=5-7 with JWST

Jorryt Matthee, Ruari Mackenzie+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、JWST/NIRCamのスリットレス分光法を用いて、z=5.33–6.93の117個の銀河で強度の高いHβおよび[OIII]発光の初回の分光的確認を実施し、若い、金属量が少なく、ほこりが少ない系が、極めて高い発光線等価幅（最大3000 Å）、高いイオン化パラメータ、およびz≈6における[OIII]の発光量密度がz≈2に比べて顕著に高いこと、再イオン化期における高赤方偏移銀河集団を[OIII]発光が非常に効率的な tracer として示していることを明らかにした。

ABSTRACT

We present emission-line measurements and physical interpretations for a sample of 117 [OIII] emitting galaxies at $z=5.33-6.93$, using the first deep JWST/NIRCam wide field slitless spectroscopic observations. Our 9.7-hour integration is centered upon the $z=6.3$ quasar J0100+2802 -- the first of six fields targeted by the EIGER survey -- and covers $λ=3-4$ microns. We detect 133 [OIII] doublets, but merge pairs within $\approx$10 kpc and 600 km s$^{-1}$, motivated by their small scale clustering excess. We detect H$β$ in 68 and H$γ$ emission in two galaxies. The galaxies are characterised by a UV luminosity M$_{ m UV}\sim-19.6$ ($-17.7$ to $-22.3$), stellar mass ~$10^8$ $(10^{6.8-10.1})$ M$_{\odot}$, H$β$ and [OIII] EWs $\approx$ 850 Angstrom (up to 3000 Angstrom), young ages (~100 Myr), a highly excited interstellar medium ([OIII]/H$β\approx6$) and low dust attenuations. These high EWs are very rare in the local Universe, but we show they are ubiquitous at $z\sim6$ based on the measured number densities. The stacked spectrum reveals H$γ$ and [OIII]$_{4364}$ which shows that the galaxies are typically dust and metal poor (E(B-V)=0.1, 12+log(O/H)=7.4) with a high electron temperature ($2 imes10^4$ K) and a production efficiency of ionising photons ($ξ_{ m ion}=10^{25.3}$ Hz erg$^{-1}$). We further show the existence of a strong mass-metallicity relation. The young highly ionising stellar populations, moderately low metallicities, low dust attenuations and high ionisation state in z~6 galaxies conspire to maximise the [OIII] output from galaxies, yielding an [OIII] luminosity density at z~6 that is significantly higher than at z~2, despite the order of magnitude decline in cosmic star formation. Thus, [OIII] emission-line surveys with JWST prove a highly efficient method to trace the galaxy density in the epoch of reionization.

研究の動機と目的

• JWSTを用いて、z=5–7で強いHβおよび[OIII]発光を示す高赤方偏移銀河の物理的性質を分光的に特徴づけること。
• これらの銀河の星形成物質およびガス相の性質（年齢、金属量、ほこりの減光、イオン化光子生成効率）を特定すること。
• [OIII]発光量密度の測定と低赤方偏移の類似対象との比較を通じて、これらの銀河が宇宙の再イオン化に果たす役割を評価すること。
• [OIII] 4364の検出を用いて、z≈6における強線金属量校正の妥当性を検証すること。
• [OIII]発光線サーベイが、再イオン化期における銀河密度とクラスタリングを効率的にトレースできるかを評価すること。

提案手法

• z=6.3のクェーサーJ0100+2802を標的として、9.7時間にわたる深さのJWST/NIRCamワイドフィールド・スリットレス分光法（WFSS）を実施し、λ=3–4 μmをカバーした。
• 117個の[OIII]発光銀河からのスペクトルを抽出・スタックし、Hγや[OIII] 4364といった弱いラインを検出することで、ガス相金属量および電子温度の高精度測定を可能にした。
• CIGALEを用いたSEDフィッティングにより、画像データおよび発光線フィッティングから星形成物質質量、年齢、ほこり減光（E(B-V)）を導出した。
• Hβおよび[OIII]線輝度比を用いて、イオン化光子生成効率（ξ_ion）を、イオン化光度と星形成率の比から計算した。
• 強線金属量校正（例：R23、O3Hβ）を適用し、観測されたライン比から12+log(O/H)を導出し、[OIII] 4364の検出によって検証した。
• [OIII]発光量密度をz≈6で測定し、同じ発光関数および星形成率密度推定を用いてz≈2との比較を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z≈6で強いHβおよび[OIII]発光を示す銀河の物理的性質（年齢、質量、金属量、ほこり含量）は何か？
• RQ2 z≈6における[OIII]発光量密度はz≈2に比べてどのように異なっているのか？その差の原因は何か？
• RQ3 強線金属量校正はz≈6でも有効であると期待できるか？高赤方偏移における質量-金属量関係はどのようなものか？
• RQ4 高赤方偏移銀河のイオン化光子生成効率（ξ_ion）は何か？また、局所銀河およびz≈2の系と比較してどう異なるか？
• RQ5 JWSTを用いた[OIII]発光線サーベイは、再イオン化期における銀河の過密度およびクラスタリングを効率的にトレースできるか？

主な発見

• z=5.33–6.93の117個の[OIII]発光銀河のサンプルは、中央UVマグニチュードM_UV ≈ -19.6、星形成物質質量~10^8 M⊙、Hβ+[OIII]等価幅~850 Å（最大3000 Å）を示しており、極めて強い中性ガス発光を示している。
• スタックスペクトルからHγおよび[OIII] 4364が検出され、ガス相金属量は12+log(O/H) = 7.38 ± 0.09（約10%太陽値）、ほこり減光は低め（E(B-V) = 0.14^{+0.16}_{-0.14}）、電子温度は約2×10^4 Kと高い値を示した。
• イオン化光子生成効率は高く、ξ_ion = 10^25.3 Hz erg⁻¹と推定され、星間媒体の効率的なイオン化が示唆された。
• z≈6における[OIII]発光量密度は、z≈2に比べて2〜5倍高く、宇宙の星形成率密度が約10倍低下しているにもかかわらず、低質量、金属量が少なく、ほこりが少ない銀河が支配的であるためである。
• z≈6では明確な質量-金属量関係が観測され、[OIII]/Hβは約10^8 M⊙でピークを示し、低質量および高質量領域で低下しており、理論的予測と整合的であった。
• Hγおよび[OIII] 4364といった微弱ラインの検出により、WFSSを用いた高赤方偏移銀河のほこり、金属量、イオン化状態の探査が、連続スペクトルの汚染を最小限に抑えて可能であることが確認された。