[論文レビュー] Extreme N-emitters at high-redshift: signatures of supermassive stars and globular cluster or black hole formation in action?

R. Marques-Chaves, D. Schaerer+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、赤方偏移 z=8.68 の高赤方偏移で、太陽より高い N/O比（log(N/O) = -0.18 ± 0.11）を示す極端な N発光体 CEERS-1019 が、原始球状星団形成の強力な候補であると特定した。JWST/NIRSpecのデータと光電離モデルを用いて、観測された N/Oの異常な組成は、超大質量星（SMS）からの重元素拡散によって最もよく説明され、初期宇宙における SMS の存在を裏付ける、これまでで最も強い間接的証拠を提供するとともに、N発光体が球状星団形成および中間質量ブラックホールの種の形成と関連している可能性を示唆している。

ABSTRACT

[Abridged] Using the JWST/NIRSpec observations from CEERS we found an extreme N-emitter, CEERS-1019 at z=8.6782 showing intense NIV and NIII emission. From the observed rest-UV and optical lines we conclude that it is compatible with photoionization from stars and we determine accurate abundances for C, N, O, and Ne, relative to H, finding a highly supersolar ratio log(N/O) = -0.18+/-0.11, and normal log(C/O) = -0.75+/-0.11 and log(Ne/O) = -0.63+/-0.07, for its low metallicity, 12+log(O/H)= 7.70+/-0.18. We also analyze other N-emitters from the literature. All show strongly enhanced N/O ratios and two of them normal C/O. Massive star ejecta from WR stars are needed to explain the galaxies with enhanced C/O (Lynx arc and Mrk 996). On the other hand, supermassive stars (>1000 Msun, SMS) in the ``conveyer-belt model'' put forward to explain globular clusters (GCs), predict a high N/O and small changes in C/O, compatible with CEERS-1019, the Sunburst cluster, SMACS2031, and GN-z11. Based on the chemical abundances, possible enrichment scenarios, compactness, and high ISM density, we suggest that CEERS-1019, SMACS2031, and the Sunburst cluster could contain proto-GCs. Finally, we propose that some N-emitters enriched by SMS could also have formed intermediate-mass black holes, and we suggest that this might be the case for GN-z11. Our observations and analysis reinforce the suggested link between some N-emitters and proto-GC formation, which is supported both by empirical evidence and quantitative models. Furthermore, the observations provide possible evidence for the presence of supermassive stars in the early Universe (z>8) and at z~2-3. Our analysis also suggests that the origin and nature of the N-emitters is diverse, including also objects like GN-z11 which possibly host an AGN.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移における異常な窒素組成比を示す極端な N 発光体を同定・特徴づけること。
• これらの N 発光体が超大質量星（SMS）形成の痕跡であるか、または原始球状星団（GC）形成の痕跡であるかを特定すること。
• 質量の大きな星の風（WR状況）による重元素拡散と SMS の噴出物による重元素拡散の違いが、観測された化学組成に与える影響を区別すること。
• 原始 GC 形成を支持する物理的条件（例：コンパクト性、高い星形成密度、ISM の密度）を評価すること。

提案手法

• CEERS調査の JWST/NIRSpec スペクトロスコピー観測データを分析し、赤方偏移 z=8.6782 の CEERS-1019 におけるリスチック UV および可視光発光線を測定する。
• 光電離モデルを用いて、電離源の性質を推定し、電離パラメータ、電子密度、金属量を制約する。
• 質量の大きな星の風モデル（WR状況）と超大質量星（SMS）の噴出物モデルの予測と、観測された C, N, O, Ne の組成を比較する。
• 一貫した光電離および組成分析手法を用いて、既に知られている N 発光体（例：Sunburst クラスタ、SMACS2031、Lynx アーク、Mrk 996）を再分析する。
• 多波長 SED フィッティングによる星形成質量表面密度（ΣM⋆）と半光半径を評価し、コンパクト性および GC 形成の可能性を検討する。
• SMS 拡散の「コンベアベルトモデル」を適用し、CEERS-1019、SMACS2031、GN-z11 における高い N/O および低い C/O の変化を説明する。

Figure 1: Overview of the JWST observations of CEERS-1019 at $z=8.6782$ . Top: 1D and 2D low-resolution NIRSpec/PRISM spectra (black) and 1 $\sigma$ uncertainty (grey). Vertical dashed lines (green) mark the position of well-detected nebular emission lines. The X-axis in the bottom and top panels re

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CEERS-1019 の極端な N/O 組成比は、標準的な質量の大きな星（WR）の風による拡散で説明可能か、それとも超大質量星（SMS）の噴出物によるものである必要があるか？
• RQ2 CEERS-1019 の物理的性質（例：高い星形成質量表面密度（ΣM⋆ ≳ 10^3.5 M⊙ pc⁻²）およびコンパクトな形状）は、それが原始球状星団としての分類に適していることを支持するか？
• RQ3 レンズ効果を受ける N 発光体（例：SMACS2031、Sunburst クラスタ）の観測組成比は、SMS 拡散モデルと WR 拡散モデルの予測とどのように比較されるか？
• RQ4 太陽より高い N/O を示す N 発光体と中間質量ブラックホールの形成には、特に GN-z11 のような対象において関連があるか？
• RQ5 ISM 密度（ne ≈ 10⁴–10⁵ cm⁻³）および噴出物の低希釈が、これらの高赤方偏移銀河における観測された組成異常を生じさせる役割を果たすか？

主な発見

• CEERS-1019 は、log(N/O) = -0.18 ± 0.11 の太陽より高い N/O比を示し、12 + log(O/H) = 7.70 ± 0.18 であるため、低金属量かつ極めて高い窒素の拡散が起こっていることが示唆される。
• この銀河の星形成質量表面密度は log(ΣM⋆ / M⊙ pc⁻²) ≈ 3.55–4.14 に達し、半光半径は約 100–150 pc であり、コンパクトで密度の高い星形成系と一致する。
• 高い N/O 比は、SMS 噴出物と未拡散の ISM を混合した結果として最もよく説明され、C/O 比は SMS 拡散の「コンベアベルトモデル」と一致する。
• Lynx アークと Mrk 996 は C/O 比が高めに現れ、質量の大きな WR 星による拡散を示しており、これらは原始 GC の候補から除外される。
• CEERS-1019、SMACS2031、Sunburst クラスタは、コンパクト性、高い ISM 密度、SMS に適合する組成パターンのため、原始球状星団の主な候補と特定された。
• 本研究では、AGN を有するが、GN-z11 でさえも SMS による拡散を受けていた可能性があり、N 発光体と中間質量ブラックホールの形成との間にリンクがある可能性を示唆している。

Figure 2: Zoom-in to the rest-frame UV part of the PRISM spectrum of CEERS-1019 (black and 1 $\sigma$ uncertainty in grey). Vertical dashed lines (green) mark the position of nebular emission lines. The blue line is the best fit for several UV emission lines and continuum. The bottom panel shows the