[論文レビュー] GN-z11: The environment of an AGN at $z=$10.603

Jan Scholtz, Callum Witten+24 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 15被引用数 14

ひとこと要約

JWST/NIRSpec IFU は GN-z11 が z=10.603 で AGN をホストしていることを示す拡張 Lyα ハローを明らかにし、近くに Lyα ブロブと過密領域内の候補プロトクラスタ核を示唆します。

ABSTRACT

Recent observations with the extit{James Webb} Space Telescope (JWST) have further refined the spectroscopic redshift of GN-z11, one of the most distant galaxies identified with the extit{Hubble} Space Telescope (HST) at $z=10.603$. The presence of extremely dense gas ($>10^{10}$ cm$^{-3}$), the detection of high-ionisation lines and of CII*1335 emission, as well as the presence of an ionisation cone, indicate that GN-z11 also hosts an Active Galactic Nucleus (AGN). Further photometric and spectroscopic follow-up demonstrates that it lies in a large-scale, overdense structure with possible signatures of Population III (PopIII) stars in its halo. Surprisingly, Ly$α$ has also been detected despite the expected largely neutral inter-galactic medium at such a redshift. We exploit recent JWST/NIRSpec IFU observations to demonstrate that the Ly$α$ emission in GN-z11 is part of an extended halo with a minimum size of 0.8--3.2 kpc, depending on the definition used to derive the halo size. The surface brightness of the Ly$α$ halo around GN-z11 appears consistent with Ly$α$ halos observed around $z\sim6$ quasars. At the wavelength of Ly$α$ at $z\sim$10.6, we identify three other emission line candidates within the IFU Field-of-View with no UV rest-frame counterpart visible in deep images from the JWST/NIRCam. If confirmed, this could be the first evidence that the local region of GN-z11 represents a candidate protocluster core, forming just 400 Myr after the Big Bang. We give a first estimate of the dark matter halo mass of this structure ($M_h$=2.96$^{+0.44}_{-0.39} imes$10$^{10}$ M$_{\odot}$), consistent with a Coma-like cluster progenitor.

研究の動機と目的

• GN-z11 の周囲の空間分解 Lyα 放出とハロー形態を調査する。
• GN-z11 の系統赤shift に対する Lyα の運動学を特徴づけ、速度オフセットを同定する。
• GN-z11 周辺の companion Galaxy および Lyα 発光ブロブを探索する。
• 環境と過密度を評価し、 z≈10.6 におけるプロトクラスタ核の可能性を評価する。

提案手法

• G140M/F100LP および G235M/F170LP の設定を用いた JWST/NIRSpec IFU データを用いて発光線をマッピングする。
• Lyα マップを背景 subtraction と連続体補正チャンネルの折り畳みで ±400 km/s の Lyα ピーク周辺にて作成する。
• 定義した領域からスペクトルを抽出し、ガウスプロファイルでフィットしてフラックス、FWHM、速度オフセットを得る。
• Lyα ハローのサイズと表面輝度をシミュレーションや z~6 のクエーサー・星形成銀河周辺の Lyα ハローと比較する。
• IFU フィールド内の Lyα ブロブおよび潜在的な伴星発光線（例：CIV, HeII）を同定・解析する。
• 周囲構造のダークマターハロー質量を出現確率に基づく手法で推定する。

Figure 1: Left column: JWST/NIRCAM F277W continuum image with Ly $\alpha$ emission map overlaid as red dashed contours (2,3,4 and 5 $\sigma$ levels). For each row, we also plot the mask used to extract the spectrum on the right as blue solid lines. These regions were selected to estimate the total L

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GN-z11 の z=10.603 における Lyα ハローの範囲と表面輝度プロファイルはどのようになるか。
• RQ2 ハロー領域の異なる部位で Lyα の速度オフセットは GN-z11 の系統赤shift に対してどのようになるか。
• RQ3 Lyα 発光ブロブは GN-z11 周辺にプロトクラスタ環境を示唆するか。
• RQ4 GN-z11 領域は高赤方偏移でのクエーサーと星形成銀河の Lyα ハロー、シミュレーションとどのように比較できるか。
• RQ5 周囲構造の推定ダークマターハロー質量はどの程度で、Coma に類する前駆体と整合するか。

主な発見

Region	SNR	Flux (erg s^-1 cm^-2)	FWHM (km s^-1)	δv (km s^-1)
MSA*	12.1	23.0 ± 1.9 ×10^-19	530 ± 65	555^{+32}_{-32}
Central	4.5	12.5^{+3.3}_{-2.8} ×10^-19	440^{+204}_{-95}	520^{+66}_{-55}
NE	6.0	26.8^{+4.4}_{-4.5} ×10^-19	1000^{+145}_{-142}	915^{+86}_{-85}
E	4.5	3.34^{+0.81}_{-0.75} ×10^-19	520^{+120}_{-90}	810^{+66}_{-55}

• GN-z11 の Lyα ハローは定義により半径 0.8–3.2 kpc の拡がりを持つ。
• 中心部の Lyα センテロイド速度オフセットは 520+66-55 km/s、北東伸長部は 915+86-85 km/s。
• Lyα ハローの表面輝度とサイズは、星形成銀河のハローというより z~6 のクエーサー周辺ハローと整合する。
• GN-z11 の約 0.4'' 北東に Lyα 発光ブロブを検出し、 CIV と思われる検出が高度に電離した源を示唆。
• 東へ 2.1'' に別の Lyα 発光ブロブを検出し、複数の伴星と過密環境を示唆。
• 先行的なプロトクラスタ解析により、ダークマター ハロー質量は ~2.96(+0.44,-0.39)×10^10 M☉ となり、z≈10.6 における Coma 的クラスター前駆体と整合。

Figure 2: Comparison of the Ly $\alpha$ halo surface brightness of GN-z11 to the profiles of Ly $\alpha$ halos around star-forming galaxies at z=5.0-6.0 (red shaded region Wisotzki et al., 2018 ) and quasars z=5.7-6.6 (yellow and orange shaded region Farina et al., 2019 ) . For the quasars from Fari