[論文レビュー] Extreme emission line galaxies detected in JADES JWST/NIRSpec I: inferred galaxy properties

Kristan Boyett, Andrew J. Bunker+34 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 11

ひとこと要約

本研究は JWST/JADES からの 3<z<9.5 のサンプル 85 個の星形成銀河を分析し、[OIII] 5007 rest-frame EW >750 Å により 36 個の extreme emission line galaxies (EELGs) を同定し、それらの特性と赤方偏移進化を探る。

ABSTRACT

Extreme emission line galaxies (EELGs) exhibit large equivalent widths (EW) in their rest-optical emission lines ([OIII]$\lambda5007$ or H$α$ rest-frame EW$ &gt; 750Å$) which can be tied to a recent upturn in star formation rate, due to the sensitivity of the nebular line emission and the rest-optical continuum to young ($&lt;10$Myr) and evolved stellar populations, respectively. By studying a sample of 85 star forming galaxies (SFGs), spanning the redshift and magnitude interval $3 $ M$_{UV}&gt;-21$, in the JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) with NIRSpec/prism spectroscopy, we determine that SFGs initiate an EELG phase when entering a significant burst of star formation, with the highest EWs observed in EELGs with the youngest luminosity-weighted ages ($&lt;5$ Myr old) and the highest burst intensity (those with the greatest excess between their current and long-term average SFR). We spectroscopically confirm that a greater proportion of SFGs are in an EELG phase at high redshift in our UV-selected sample ($61\pm4\%$ in our $z&gt;5.7$ high-redshift bin, compared to $23^{+4}_{-1}\%$ in our lowest-redshift bin $35.7$ have observed Lyman-$α$ emission, potentially lying within large ionised regions. The high detection rate of Lyman-$α$ emitters in our EELG selection suggests that the physical conditions associated with entering an EELG phase also promote the escape of Lyman-$α$ photons.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移星形成銀河 (3<z<9.5) で信頼できる rest-optical emission lines を持つサンプルを Identify and assemble.
• [OIII] 5007 rest-frame EW 阈値に基づき EELGs を定義・選択し、EELG 集団を定量化。
• EELG の物理的性質（イオン化、金属量、SFH、Ly-α）を特徴づけ、非 EELG と比較。
• 赤方偏移と選択効果に伴う EELG の割合と性質の進化を検討。
• 高z 銀河における電離光子生成・逃走の含意を推論。

提案手法

• JADES DEEP プログラムの JWST 配分 NIRSpec prism および medium-resolution (R~1000) スペクトルを用い、z>3 の場合に主に [OIII] 5007 および Hβ の発光線を検出。
• ガウシアンフィットからの線フlux を用いて発光線のフ lux を測定し、apodised NIRCam 近似 photometry から continua flux density を組み合わせて rest-frame EW を推定、フィルター透過と線汚染の補正を適用。
• [OIII] 5007 EW >750 Å を EELG の閾値として採用（1-sigma 内の追加ソースを含む）ことで EELG サンプルを定義。
• 赤方偏移別（z=5.7 で分割）および EW でスペクトルをスタックし、EELG と非 EELG を比較して平均的性質を研究。
• UV による high-z ターゲットと optical による low-z ターゲットに起因する選択バiasを論じ、連続体推定の系統誤差に対処。

Figure 1: Redshift distribution of the JADES targeted galaxies (prism in orange, R1000 grating in green) and our defined full sample (red, $z>3$ galaxies with multiple emission lines, including [OIII] $\lambda 5007$ , detected at $>5\sigma$ ). Galaxies in our full sample with coverage in the prism a

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UV 選択高-z 銀河の中で EELG の普遍性はどれくらいか、赤方偏移とともにどのように進化するのか。
• RQ2 EELG フェーズに entry する際に伴う物理条件（イオン化、金属量、SFH）は何か、非 EELG との違いは。
• RQ3 高赤方偏移の EELG は非 EELG よりも ionising photons をより効率的に産生するのか（xi_ion）、再電離への影響は。
• RQ4 EELG フェーズが Ly-α の逃走を促進する証拠はあるのか、Ly-α 発光は EELG の性質とどう関連するか。

主な発見

• [OIII] 5007 EW >750 Å の閾値を満たす星が 35 銀河、1 追加ソースが 1-sigma 内に入り、z>3 の発光線サンプルのうち EELG は 36/85（42%）となる。
• UV 選択高-z 区分（z>5.7）における EELG の割合は 61±4%、低-z 区分（3<z<4.1）は 23+4−1% より高い。
• EELG は平均的なイオン化効率が高く、log10(xi_ion,HII / erg−1 Hz) = 25.5±0.2、非 EELG と比較。
• z>5.7 の EELG のうち観測 Ly-α 発射を示すのは 53%（9/17）で、これらのフェーズで大規模な ionised region と Ly-α 逃走の促進が示唆される。
• 高-z EELG のスタックスペクトルは [OIII]5007 EW ~1524±201 Å、H-alpha EW ~1129±158 Å、O32 ≈25.8±4.7 を示し、非 EELG と比べ高イオン化・コンパクトな系であることを示す。
• この研究は広い redshift 範囲にわたる EELG 特性のデータセットを提供し、 bursty SFH、金属量の進化と EELG フェーズの関連を浮き彫りにする。

Figure 2: Distribution of equivalents widths. Left panel presents the [OIII] $\lambda 5007$ EW distribution for the whole sample (black) and split into a high redshift ( $z>5.7$ , blue) and low redshift ( $z<5.7$ , orange) sub-samples. Right panel shows the same distributions for the H $\alpha$ EW.