[論文レビュー] First rest-frame infrared spectrum of a z>7 quasar: JWST/MRS observations of J1120+0641

Sarah E. I. Bosman, Javier Álvarez-Márquez+30 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のMIRI中赤外分光器（MRS）を用いて、z > 7のクェーサーJ1120+0641の最初のレストフレーム赤外スペクトルを取得した。1.3 µmで高温のダスト放射が検出され、黒体温度は1413.5 Kであった。また、Hαおよびパッセルン系列の広帯域発光線が検出された。クェーサーの高温ダストおよび広帯域領域の性質は、低赤方偏移のクェーサーと一致しており、ビッグバン後760百万年以内に成熟した降着構造が急速に形成されたことを示唆している。

ABSTRACT

We present a JWST/MRS spectrum of the quasar J1120+0641 at z=7.0848, the first spectroscopic observation of a reionisation-era quasar in the rest-frame infrared ($0.6<λ<3.4μ$m). In the context of the mysterious fast assembly of the first supermassive black holes at z>7, our observations enable for the first time the detection of hot torus dust, the H$α$ emission line, and the Paschen-series broad emission lines in a quasar at z>7. Hot torus dust is clearly detected as an upturn in the continuum emission at $λ_{ ext{rest}}\simeq1.3μ$m, leading to a black-body temperature of $T=1413.5^{+5.7}_{-7.4}$K. Compared to similarly-luminous quasars at 06 ($2σ$ significance). We measure the black hole mass of J1120+0641 based on the H$α$ Balmer line, $M_{ ext{BH}}=1.52\pm0.17\cdot 10^9 M_\odot$, which is in good agreement with the previous rest-UV MgII black hole mass measurement. The black hole mass based on the Paschen-series lines is also consistent, indicating no significant extinction in the rest-frame UV measurement. The broad H$α$, Pa-$α$ and Pa-$β$ emission lines are consistent with an origin in a common broad-line region (BLR) with density log$N_H/ ext{cm}^{-3}\geq 12$, ionisation parameter $-7<$log$U<-4$, and extinction E(B-V)$\lesssim 0.1$mag. These BLR parameters are consistent with similarly-bright quasars at 0

研究の動機と目的

• JWST/MRSを用いて、z > 7のクェーサーの最初のレストフレーム赤外スペクトルを取得すること。
• 高赤方偏移クェーサーにおける高温ダストトルスおよび広帯域領域の物理的状態を調査すること。
• 初期のクェーサーの性質が、低赤方偏移のものと顕著に異なるかどうか、特にダスト温度および発光線特性の面で評価すること。
• レストフレーム光学発光線を用いてブラックホール質量を決定し、UVベースの測定値と比較すること。
• 線比分析を用いて、広帯域領域における減光およびイオン化状態を評価すること。

提案手法

• ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のミッドインフラレッド・インスツルメント（MIRI）のミドル・リゾリューション・スペクトロメータ（MRS）を用いて、J1120+0641の高分解能分光観測を実施した。
• 光学的薄い発光を仮定しβ = 2としたもとで、観測された連続スペクトルを修正された黒体モデルにフィットさせ、高温ダスト温度を導出した。
• 標準的な準拡散質量推定式を用いて、Hαバルマー線およびパッセルン系列線を用いてブラックホール質量を測定した。
• 観測された発光線比（Hα、Pa-α、Pa-β）を単一相のCloudy光電離モデルの予測と比較し、BLR密度、イオン化パラメータ、減光を推定した。
• z < 6および6 < z < 6.5のサンプルと比較して、ダスト温度およびBLR性質の赤方偏移に伴う進化を統計的に比較した。
• 校正および文脈的背景のため、マイクルスキー宇宙望遠鏡アーカイブおよびヨーロッパのJWSTアーカイブのアーカイブデータを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z = 7.0848のクェーサーJ1120+0641のレストフレーム赤外スペクトルエネルギー分布は何か？また、それはその高温ダスト放射について何を明らかにしているか？
• RQ2 J1120+0641の高温ダストトルスの温度は、z < 6および6 < z < 6.5の同程度の明るさのクェーサーと比べてどうか？
• RQ3 J1120+0641に見られるHαおよびパッセルン系列の広帯域発光線は、共通の広帯域領域に起因していると整合的か？また、BLRの状態はどのように推定されるか？
• RQ4 この高赤方偏移クェーサーの広帯域領域に、顕著な減光またはイオン化異常な兆候があるか？
• RQ5 このz > 7クェーサーの降着構造は、低赤方偏移クェーサーとどれほど類似しているか？これは、初期の成熟度を示唆するか？

主な発見

• J1120+0641の高温ダストトルスは、レストフレームλ ≈ 1.3 µmで連続スペクトルの上昇として検出され、黒体温度は1413.5⁺⁵.⁷₋₇.₄ Kであった。
• このダスト温度は、z < 6の同程度明るいクェーサーの上位1%に位置し、6 < z < 6.5のクェーサーでは上位25%に位置しており、z > 6で高温ダスト温度に弱い進化がないことが2σの有意水準で示唆された。
• Hα線を用いて導出したブラックホール質量は1.52 ± 0.17 × 10⁹ M☉であり、以前のUVベースのMg II測定値と良好に一致した。
• パッセルン系列線を用いたブラックホール質量推定値も誤差範囲内で一致しており、UVベースの質量測定値に顕著な減光バイアスがないことが示された。
• 観測されたHα、Pa-α、Pa-β線比は、単一の広帯域領域（log N_H / cm⁻³ ≥ 12、–7 < log U < –4、E(B–V) ≤ 0.1 mag）と整合的であった。
• クェーサーの高温ダストおよび広帯域領域の性質は、z < 4の明るいクェーサーと完全に一致しており、ビッグバン後760百万年以内に降着構造がすでに成熟していたことが示唆された。