[論文レビュー] Feedback mechanisms stopping the star formation in a pair of massive galaxies in the early Universe

Pablo G. Pérez‐González, Francesco D’eugenio+19 more|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|May 6, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、近接した衛星銀河（Hyde）に存在する活動銀河核（AGN）からのフィードバックが、赤方偏移 z ≈ 3.7 の巨大で静止した銀河（Jekyll）の星形成を抑制したことを、JWST/NIRSpecの積分場分光法によって明らかにした。Jekyllに顕著なAGNは検出されないが、周囲の電離ガスネビュラはAGNに類似た光電離を示しており、現在は消えかかっているがHydeに存在したAGNのフィードバックが、5億年以上にわたりJekyllの静止状態を維持したことを示している。

ABSTRACT

Feedback is the key physical mechanism regulating galaxy formation. Stars in galaxies form when baryons radiatively cool down and fall into gravitational wells. Eventually, star formation quenches as gas is depleted and/or perturbed by feedback processes, no longer being able to collapse and condense. For massive galaxies, astronomers identify feedback from accreting supermassive black holes (active galactic nuclei, AGN) as the main agent responsible for quenching. We report the first spatially resolved spectroscopic observations of a massive, completely quiescent galaxy at $z=3.714$ (Jekyll) and its neighborhood. Jekyll is part of a galaxy pair with a compact, dusty, massive star-forming companion (Hyde). We find large amounts of ionized and neutral gas in the intergalactic medium around the pair, yet Jekyll has remained quiescent for more than 500~Myr. The emitting gas is consistent with AGN photoionization, but no AGN is observed in Jekyll. We find that, in contrast to standard scenarios, AGN in satellite galaxies can be critical contributors for keeping massive galaxies quiescent in the early Universe. After the accelerated formation and quenching of the massive central galaxy, tidally induced gas stripping additionally contributes to the star-formation regulation on subsequent satellite galaxy generations.

研究の動機と目的

• 赤方偏移 z ≈ 3.7 の高赤方偏移における巨大静止銀河の星形成抑制に寄与する物理的メカニズムを理解すること。
• Jekyllはガスが豊富な環境に位置しているが、その周囲に広範な電離ガスおよび中性ガスが存在するにもかかわらず、なぜ静止状態を維持しているのかを解明すること。
• Jekyllおよびその伴銀河Hydeを取り巻く光電離ネビュラの起源を特定すること。特に、それが中心AGNによる駆動であるのか、あるいは他の源によるものであるのかを特定すること。
• 衛星銀河からのフィードバックが、巨大初期型銀河における星形成抑制に果たす役割を検証し、標準的パラダイムである「中心AGNのみが抑制を駆動する」という仮定に挑戦すること。

提案手法

• JWST/NIRSpecを用いて、JekyllとHydeのシステムの空間分解能に優れた積分場分光法（IFS）を取得し、電離ガスの運動学および発光線特性を高分解能でマッピングした。
• 診断図を用いて、Hα、[O III]などのネビュラ発光線を分析し、励起機構としてAGN、衝撃波、星形成を区別した。
• 遠方ネビュラ（Eastfield、Mr West）の観測されたHα発光度を説明するのに必要なAGNの全波長放射度を、カバー率およびイオン化スペクトルエネルギー分布のモデル化により推定した。
• Spitzer-MIPS 24 μmデータおよび電波観測からの上限値と照らし合わせ、Hydeに存在するAGNがコンプトン厚い状態または弱い5 μm/全波長放射度比を示すタイプ2 AGNである場合にのみ整合するかを評価した。
• Jekyllのスペクトルを用いた星族合成モデリングにより、その年齢、金属量、質量を推定し、静止銀河としての性質および長期間にわたる静止状態を確認した。
• 潮汐的相互作用およびガスの剥ぎ取りが、次世代の衛星銀河における星形成抑制にどのように寄与しているかを、運動学的および空間的分布のデータを用いて評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移 z ≈ 3.7 の巨大静止銀河Jekyllを取り巻く広範な電離ガスネビュラの起源は何か？
• RQ2 衛星銀河（Hyde）に存在するAGNからのフィードバックが、Jekyllに顕著なAGNが存在しないにもかかわらず、星形成の抑制および長期間にわたる静止状態を説明できるか？
• RQ3 観測されたHα放射を生じさせるために必要なAGNの放射度およびカバー率は何か？また、赤外および電波バンドでの観測上限値と整合するか？
• RQ4 潮汐的相互作用およびガスの剥ぎ取りは、中心の巨大銀河の初期の抑制後に、衛星銀河における星形成の長期的抑制にどのように寄与するか？
• RQ5 このシステムは、初期宇宙における巨大銀河の抑制のタイミングおよびメカニズムに関して、標準的ΛCDMパラダイムをどの程度挑戦するか？

主な発見

• 赤方偏移 z = 3.714 の巨大静止銀河Jekyllは、周囲に広範な電離ガスおよび中性ガスを有するガス豊富な環境に位置しているにもかかわらず、5億年以上にわたり静止状態を維持している。
• Jekyll-Hyde対を取り巻くネビュラ（EastfieldおよびMr West）は、AGN励起に類似した光電離の特徴を示しているが、JekyllにAGNは検出されない。
• Hα発光度およびHydeからの投影角のモデリングから、Hydeに存在したAGNの全波長放射度は、ネビュラのカバー率に応じて log(L_AG_N/erg s⁻¹) ≈ 44.5–46.2 の範囲に必要であると推定された。
• 推定されたAGN放射度は、Spitzer-MIPS 24 μmの上限値と整合するが、そのためにHydeのAGNがコンプトン厚い状態、またはタイプ2 AGNと同様に5 μm/全波長放射度比が低い状態である必要がある。
• 3-GHz電波放射度が 7 μJy 未満であるという強い電波放射の欠如は、Jekyllに明るい現在活動中の電波モードAGNが存在しないことを排除し、静止または弱体化した状態を支持する。
• 本結果は、衛星銀河に由来するAGNフィードバックが、巨大中心銀河の抑制に主要因となり得ることを示しており、初期宇宙の巨大銀河の抑制は常に中心AGNによるものであるという仮定に挑戦するものである。