[論文レビュー] GA-NIFS: Early-stage feedback in a heavily obscured AGN at $z=4.76$

Eleonora Parlanti, Stefano Carniani+20 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

JWST/NIRSpecの積分場分光法を用いて、この研究では赤方偏移 z=4.76 の重度に遮蔽されたAGN ALESS073.1で広いHα線を検出。質量log M_BH/M☉ > 8.7 の超大質量ブラックホールが15%未満のEddington率で降着していることが確認された。高い-dust 輸送 (N_H ~ 10^24 cm⁻²) にもかかわらず、広い線領域の存在により、これはタイプ1AGNに分類される。質量負荷率が約0.01のわずかに解像されたイオン化ジェットは、中心部の乱流を増加させるが、星形成を抑制しない。

ABSTRACT

Dust-obscured galaxies are thought to represent an early evolutionary phase of massive galaxies in which the active galactic nucleus (AGN) is still deeply buried in significant amounts of dusty material and its emission is strongly suppressed. The unprecedented sensitivity of the James Webb Space Telescope enables us for the first time to detect the rest-frame optical emission of heavily obscured AGN and unveil the properties of the hidden accreting super-massive black holes (BHs). In this work, we present the JWST/NIRSpec IFS data of ALESS073.1, a massive, dusty, star-forming galaxy at $z = 4.76$ hosting an AGN at its center. The detection of a very broad $H_α$ emission associated with the Broad Line Region (BLR) confirms the presence of a BH ($\log(M_{BH}/M_\odot)>8.7$) accreting at less than 15\% of its Eddington limit and classifies the target as a Type 1 AGN. The rest-frame optical emission lines also reveal a fast ionized gas outflow marginally resolved in the galaxy center. The high sensitivity of NIRSpec allows us to perform the kinematic analysis of the narrow H$α$ component which indicates that the warm ionized gas velocity field is consistent with disk rotation. We also find that, in the innermost nuclear regions ($< 1.5$ kpc), the intrinsic velocity dispersion of the disk reaches $\sim 150$ km/s, $\sim 2-3$ times higher than the velocity dispersion inferred from the [CII] 158$μ$m line tracing mostly cold gas. Since, at large radii, the velocity dispersion of the warm and cold gas are comparable, we conclude that the outflows are injecting turbulence in the warm ionized gas in the central region, but they are not sufficiently powerful to disrupt the dense gas and quench star formation. These findings support the scenario that dust-obscured galaxies represent the evolutionary stage preceding the unobscured quasar when all gas and dust are removed from the host.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移 (z=4.76) の重度に遮蔽されたAGNにおける初期段階のフィードバック機構を調査すること。この段階ではAGNフィードバックが初期段階にあると予想される。
• rest-frame光学発光線を用いて、ALESS073.1のAGNの降着状態とブラックホール質量を特定すること。
• AGN駆動ジェットがホスト銀河の星間媒体に与える影響、特に星形成およびガス運動論的特性への影響を評価すること。
• localおよび高赤方偏移の静穏銀河系と比較して、M_BH/M_star比を評価し、ブラックホールとホストの共進化の程度を検討すること。
• 空間スケールにわたる[N II]/Hα線比の分析を通じて、ISMのイオン化源を特定すること。

提案手法

• JWSTを用いてALESS073.1の高感度で空間分解されたNIRSpec積分場分光法 (IFS) を取得し、rest-frame光学発光線を調査した。
• Hα線の運動論的分解を実施し、広い線領域 (BLR) と狭い線成分を分離し、ドーピラー幅およびジェットの性質を測定した。
• 銀河全体にわたる[N II] λ6585/Hα比を測定し、イオン化源（AGN 対 若年星）を区別した。
• ジェットの質量フラックスと星形成率を用いて、イオン化ジェットの質量負荷率 (ξ) を計算した。
• Hαのドーピラー幅と[C II] 158 μm線の運動論的特性を比較し、異なるガス相へのエネルギー供給の程度を評価した。
• 星の質量 (log M_*/M☉ = 10.7) およびブラックホール質量の推定値 (log M_BH/M☉ > 8.7) を用いて、localおよび高赤方偏移の基準と比較してM_BH/M_star比を評価した。

Figure 1: Spectrum in the central region from the G395H/F290LP cube. In the upper panel, we report in blue the spectrum extracted from a circular aperture of radius 0.15″centered in the central region with the associated error (gray-shaded region). We show the wavelengths around the H $\alpha$ compl

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ALESS073.1のAGNの降着状態は何か？ また、質量log M_BH/M☉ > 8.7 の超大質量ブラックホールの存在を確認できるか？
• RQ2 イオン化ガスの運動論的特性は、重度に遮蔽された系におけるAGN駆動ジェットの存在と性質をどのように示すか？
• RQ3 AGNはホスト銀河の星間媒体をイオン化する役割を果たしているか？ それとも若年星によるイオン化と比較して、どちらが支配的か？
• RQ4 ジェットはISMにどれほどエネルギーを注入しているか？ また、星形成を抑制する能力はあるか？
• RQ5 この高赤方偏移の遮蔽されたAGNにおけるM_BH/M_star比は、localおよび高赤方偏移の静穏銀河系と比較してどう異なるか？

主な発見

• FWHM > 9000 km s⁻¹ の広いHα成分の検出により、広い線領域の存在が確認され、log M_BH/M☉ > 8.7 の超大質量ブラックホールが存在することが裏付けられた。これは高い-dust 輸送 (N_H ~ 10^24 cm⁻²) にもかかわらず成立する。
• AGNはBLRの存在によりタイプ1に分類されるが、これはJWSTの感度のおかげでrest-frame光学発光線が検出可能であることを示している。
• 質量負荷率が約0.01のわずかに解像されたイオン化ジェットが検出され、ガスを銀河から効率的に除去する能力は低いことが示された。
• 中心部のHαドーピラー幅は、銀河の他の領域と比較して2〜3倍高い。これはジェットに起因する乱流の増加を示している。
• [N II]/Hα比の結果、中心部およびジェット成分ではAGNがイオン化を支配しているが、より大きな半径では若年星が支配的である。
• M_BH/M_star比は、同程度の星の質量を持つlocal AGNと比較して1桁以上も高い。これは、ホスト銀河に比してブラックホールの成長が初期段階にあることを示唆している。

Figure 2: Spectrum of the central region from the G235H/F170LP cube. In the upper panel, we report in blue the spectrum around the [O iii ] $\lambda$ 5007Å emission, extracted from a circular aperture with a radius of 0.15″ in the central region with the associated error (gray-shaded region). In bla