[論文レビュー] GA-NIFS: A massive black hole in a low-metallicity AGN at $z\sim5.55$ revealed by JWST/NIRSpec IFS

Hannah Übler, R. Maiolino+21 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2023

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 10被引用数 15

ひとこと要約

JWST/NIRSpec IFS Observations of GS_3073 at z=5.55 reveal a massive black hole in a low-metallicity AGN, showing a broad-line region and a fast ionized outflow, with metallicity Z_gas/Z_sun~0.21 and a central BH mass ~10^8.2 M_sun.

ABSTRACT

We present JWST/NIRSpec Integral Field Spectrograph rest-frame optical data of the compact $z=5.55$ galaxy GS_3073. Its prominent broad components in several hydrogen and helium lines (while absent in the forbidden lines), and the detection of a large equivalent width of He II$\lambda4686$, EW(He II) ~ 20A, unambiguously identify it as an active galactic nucleus (AGN). We measure a gas-phase metallicity of $Z_{ m gas}/Z_\odot\sim0.21^{+0.08}_{-0.04}$, lower than what has been inferred for both more luminous AGN at similar redshift and lower redshift AGN. We empirically show that classical emission line ratio diagnostic diagrams cannot be used to distinguish between the primary ionisation source (AGN or star formation) for such low-metallicity systems, whereas different diagnostic diagrams involving He II$\lambda4686$ prove very useful, independent of metallicity. We measure the central black hole mass to be $\log(M_{ m BH}/M_\odot)\sim8.2\pm0.4$ based on the luminosity and width of the broad line region of the H$α$ emission. While this places GS_3073 at the lower end of known high-redshift black hole masses, it still appears to be over-massive compared to its host galaxy properties. We detect an outflow with projected velocity $\gtrsim700$ km/s and infer an ionised gas mass outflow rate of about $100\ M_\odot/$yr, suggesting that GS_3073 is able to enrich the intergalactic medium with metals one billion years after the Big Bang.

研究の動機と目的

• z~5.55 の銀河の rest-frame optical 発光を調べ、AGN の兆候を同定し、電離源を特徴づける。
• BLR および狭域/アウトフロー線成分を用いてブラックホール質量と宿主のダイナミクスを測定する。
• 非常に初期で低金属のAGN におけるガス相金属量と電離条件を評価する。
• アウトフロー特性を通じたフィードバックを定量化し、IGM における金属富化への影響を評価する。
• 高赤方偏移かつ低金属のAGN が局所のスケーリング関係および診断ダイアグラムとどのように比較されるかを評価する。

提案手法

• JWST/NIRSpec IFS (G395H) を用いて z=5.55 の GS_3073 の rest-frame optical スペクトルを取得する。
• Hα, Hβ, He II, He I, [O III], [N II], [S II] の狭はり（host/NLR）、アウトフロー、広線域（BLR）成分に分解する。
• BLR およびアウトフローの特性を制約するために、速度と幅を結合させた多成分ガウスプロファイルをフィットする。
• ε≈1.075±0.325 を用いた Reines et al. (2013) に従い Hα BLR の光度と FWHM から virial 関係で BH 質量を導出する。
• 狭線成分とニューラル線成分の光度からボリューミック光度を計算し、calibration（Netzer 2009 など）と比較する。
• 狭線成分とアウトフロー成分の運動学マップ（フラックス、速度、分散）を作成し、宿主のダイナミクスとフィードバックを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BLR の rest-frame optical 線から GS_3073 のブラックホール質量はどれくらいか。
• RQ2 宿主銀河とその電離ガスの運動学的性質（回転、アウトフロー）はどうか。
• RQ3 GS_3073 のガス相金属量はどれくらいで、より高赤方偏移のAGNs や局所のAGN とどう比べるべきか。
• RQ4 古典的な発光線比診断は z>3 で AGN と星形成を区別できるのか、特に低金属系で。
• RQ5 z~5.6 におけるアウトフローが IGM の金属富化に与える影響は。

主な発見

Table	Value
log(M_BH/M_sun) (Hα BLR)	8.2±0.4
log(L_bol/(erg/s))	~45.2-46.2
log(L_Edd/(erg/s))	46.3±0.4
λ_Edd	~0.1-1.6
log(M_dyn/M_sun)	9.4^{+0.7}_{-0.2}
v_out,Hα	685±11
\dot{M}_{out,ion} (M_sun/yr)	98±2
η_ion	6.1^{+5.0}_{-2.9}

• Hα, Hβ, He II, He I に広線域を検出し、BLR FWHM が約 3370 km/s に達することから GS_3073 にAGNが存在することを確認。
• Hα BLR 性質から中心ブラックホール質量 log(M_BH/M_sun)=8.2±0.4 と推定。
• ガス相金属量 Z_gas/Z_sun~0.21^{+0.08}_{-0.04}、より輝度が高い/赤方偏移が低いAGNs と比較して低い。
• 案内されるイオン化アウトフローを識別し、投影速度は約 700 km/s に達し、イオン化ガスのアウトフロー率は約 100 M_sun/yr。
• ビッグバン後約 1 Gyr の時期に IGM 金属富化へアウトフローのエネルギー放出が寄与すると推定され、Eddington 限界の観点も考慮。
• BH 質量は局所のスケーリング関係に置いた場合、宿主銀河の性質に対して過大質量に見える。