[論文レビュー] First results from the JWST Early Release Science Program Q3D: Ionization cone, clumpy star formation and shocks in a $z=3$ extremely red quasar host

Andrey Vayner, Nadia L. Zakamska+26 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

JWST/NIRSpec IFU観測を用いて、z=2.94の極端に赤いクェザー核銀河の電離機構をマッピングした。クェザー駆動の流れが、電離コーンの外縁に広角シャワーを形成し、200 M⊙ yr⁻¹の塊状星形成、および極端なISM状態（ne ≈ 3,000 cm⁻³、AV ≤ 3 mag）を明らかにした。コーン外シャワーの検出は、広開口角の風であることを確認し、宇宙の真ん中期におけるクェザー駆動フィードバックの広範な影響を示している。

ABSTRACT

Massive galaxies formed most actively at redshifts $z=1-3$ during the period known as `cosmic noon.' Here we present an emission-line study of an extremely red quasar SDSSJ165202.64+172852.3 host galaxy at $z=2.94$, based on observations with the Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) integral field unit (IFU) on board JWST. We use standard emission-line diagnostic ratios to map the sources of gas ionization across the host and a swarm of companion galaxies. The quasar dominates the photoionization, but we also discover shock-excited regions orthogonal to the ionization cone and the quasar-driven outflow. These shocks could be merger-induced or -- more likely, given the presence of a powerful galactic-scale quasar outflow -- these are signatures of wide-angle outflows that can reach parts of the galaxy that are not directly illuminated by the quasar. Finally, the kinematically narrow emission associated with the host galaxy presents as a collection of 1 kpc-scale clumps forming stars at a rate of at least 200 $M_{\odot}$ yr$^{-1}$. The ISM within these clumps shows high electron densities, reaching up to 3,000 cm$^{-3}$ with metallicities ranging from half to a third solar with a positive metallicity gradient and V band extinctions up to 3 magnitudes. The star formation conditions are far more extreme in these regions than in local star-forming galaxies but consistent with that of massive galaxies at cosmic noon. JWST observations reveal an archetypical rapidly forming massive galaxy undergoing a merger, a clumpy starburst, an episode of obscured near-Eddington quasar activity, and an extremely powerful quasar outflow simultaneously.

研究の動機と目的

• 宇宙の真ん中期（z ≈ 3）における質量的でほこりが多いクェザー核銀河の電離メカニズムを理解すること。
• クェザー駆動の流れが、核銀河の銀河間物質（ISM）を加熱・電離する役割を調査すること。
• 電子密度、金属量、減光を含む、塊状星形成領域の物理的状態を特徴づけること。
• 電離コーンの外縁でもシャワー励起が検出可能かどうかを特定し、広角流れの幾何学的特徴を明らかにすること。
• クェザー光電離が、拡張されたLyαネビュラや隣接する銀河に及ぼす寄与を評価すること。

提案手法

• JWST/NIRSpecの積分場ユニット（IFU）分光法を用いて、クェザー核銀河およびその同伴天体の空間分解された線スペクトルデータを取得した。
• 標準的な線スペクトル診断図（例：[O III]/Hβ、[S II]/Hα）を用いて、光電離、シャワー励起、星形成を区別した。
• q3dfitソフトウェアを用いて、IFUデータキューブ内の運動・電離構造をモデル化した。
• バルマー減光比（Hα/Hβ）を用いてHαの減光補正を行い、星形成速度を導出した。
• 光電離平衡を仮定して、[O II]および[O III]線比を用いて金属量勾配をマッピングした。
• 空間分解線比をシミュレーションと比較して、流れの幾何学的形状とシャワー励起を推定した。

Figure 1: On the left, we present line-integrated [O III ] 5007 Å flux in units of $\times 10^{-17}$ erg s -1 cm -2 Å -1 arcsec -2 , in the middle, we present the radial velocity centroid ( $v_{50}$ ) map in units of km s -1 and on the right the velocity dispersion maps for each detected kinematic c

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クェザー核銀河およびその同伴天体の異なる領域における主な電離メカニズムは何か？
• RQ2 電離コーンの外縁にシャワー励起領域が検出可能か？ それらは流れの幾何学的形状を何を明らかにしているか？
• RQ3 塊状星形成領域における物理的状態（密度、金属量、減光）は何か？
• RQ4 クェザー光電離は、隣接する銀河や潮汐構造にどの程度まで及んでいるか？
• RQ5 クェザー駆動の流れが、核銀河のISMおよび星形成にどのように影響を与えているか？

主な発見

• 電離コーンに直交する方向に、コーン外のシャワー励起領域が検出された。これは、広開口角のクェザー風が、直接の視線方向外でも顕著な影響を及ぼしていることを示している。
• 核銀河には少なくとも9つの1 kpcスケールの星形成クラスターがあり、合計の星形成速度は200 M⊙ yr⁻¹以上に達する。これは、宇宙の真ん中期における極端な状態と整合的である。
• 星形成クラスター内の電子密度は最大で3,000 cm⁻³に達し、局所の星形成銀河と比較して顕著に高い。Vバンド減光は最大で3マグニチュードに達する。
• 北東部の星形成領域における酸素量は、太陽値の半分から1/3の間であり、中心から外側に向かって正の金属量勾配を示している。
• 大部分の領域で光電離が支配的であるが、電離コーン外縁でのシャワーの検出により、クェザー風が直接照らされないガスに対しても影響を及ぼしていることが確認された。
• クェザー光電離の影響は、隣接する銀河および潮汐尾にまで及んでおり、同様のクェザーの周囲に広がるLyαネビュラを駆動する役割を果たしていることが示唆された。

Figure 2: A color composite of ionized gas emission in the J1652 quasar host galaxy and the immediate environment. [O III ] is assigned to blue, H $\alpha$ is assigned to green, [N II ] is assigned to red and [S II ] is assigned to orange. Bar on the left represents 1 arcsecond, and the quasar is lo