[論文レビュー] Ionised gas kinematics and dynamical masses of $z\gtrsim6$ galaxies from JADES/NIRSpec high-resolution spectroscopy

Anna de Graaff, Hans‐Walter Rix+29 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、六つの z>5.5 銀河に対して高分解能 JWST/NIRSpec データを用いたベイズ推定の前方モデリング分析を提示し、薄円盤モデルと MCMC フィッティングを用いてイオン化ガスの運動学と動的質量を導出する。

ABSTRACT

We explore the kinematic gas properties of six $5.51$ thus far. The cold gas masses implied by the observed star formation rates are $\sim 10 imes$ larger than the stellar masses. We find that their ionised gas is spatially resolved by JWST, with evidence for broadened lines and spatial velocity gradients. Using a simple thin-disc model, we fit these data with a novel forward modelling software that accounts for the complex geometry, point spread function, and pixellation of the NIRSpec instrument. We find the sample to include both rotation- and dispersion-dominated structures, as we detect velocity gradients of $v(r_{ m e})\approx100-150\,{ m km\,s^{-1}}$, and find velocity dispersions of $σ_0\approx 30-70\,{ m km\,s^{-1}}$ that are comparable to those at cosmic noon. The dynamical masses implied by these models ($M_{ m dyn}\sim10^{9-10}\,{ m M_\odot}$) are larger than the stellar masses by up to a factor 40, and larger than the total baryonic mass (gas + stars) by a factor of $\sim 3$. Qualitatively, this result is robust even if the observed velocity gradients reflect ongoing mergers rather than rotating discs. Unless the observed emission line kinematics is dominated by outflows, this implies that the centres of these galaxies are dark-matter dominated or that star formation is $3 imes$ less efficient, leading to higher inferred gas masses.

研究の動機と目的

• 非常に高赤方偏移で低質量の銀河のダイナミクス特性を、空間分解された rest-frame optical emission lines を用いて調べる。
• 銀河初期の回転支配か分散支配かを、運動学をモデル化して判定する。
• 動的質量を推定し、それを恒星質量およびバリオン質量と比較して宇宙初期の質量予算を評価する。
• kinematic analyses における JWST/NIRSpec の機器効果を考慮するための forward-modelling パイプライン (msafit) を開発・公開する。

提案手法

• 各銀河について、 flux F、半光半径 r_e、 Sérsic 指数 n、長軸比 q、PA、中心オフセット、turnover radius r_t、漸近速度 v_a、分散 sigma_0 を含む11パラメータの薄円盤モデルに基づく、パラメトリックなフラックスおよび速度キューブを構築する。
• 検出面で PSF ライブラリとスペクトラルトレースモデルを用いて JWST/NIRSpec MSA 機器を前方モデル化し、固有の運動学から観測スペクトルを正確に予測する。
• 角関数の回転曲線と一定の分散で速度場を畳み込み、I(x,y,λ) キューブを形成する。Nyquist限界への慎重なサンプリングと内部領域の過采样を行う。
• 2D 放出スペクトルにモデルを適合させるために MCMC を用いたベイズ推論を適用し、事前情報として NIRCam 画像の形態を用いる（msafit を介して）。
• Forward-model は NIRSpec MOS データに固有の PSF アンダサンプリングとスリット損失の影響を緩和するため、検出器空間で直接実行される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 rest-frame optical ionised gas によって追跡される z>5.5 銀河の運動学的状態（回転か分散支援か）はどうか。
• RQ2 これら初期の低質量銀河はどのような動的質量を持ち、それが星間質量およびバリオン質量とどう比較されるか。
• RQ3 JWST/NIRSpec MOS の機器効果（PSF、シャッター幾何、ピクセルサンプリング）が高赤方偏移銀河の運動学の解釈にどう影響し、forward-modelling が固有の性質を復元できるか。
• RQ4 観測された速度勾配は、初期宇宙における回転円盤、合体、その他の動的配置を示しているか。

主な発見

• 6 質銀河は回転支配と分散支配の両方の運動学構造を示し、速度勾配は約 100–150 km/s。
• 測定された速度分散は約 30–70 km/s で、おおよそ cosmic noon で予想される値と同様である。
• 動的質量は通常 M_dyn ≈ 10^9–10^10 M_sun で、 stellar masses より最大約40倍、総バリオン質量より約3倍大きい。
• 速度勾配が回転ではなく mergers を反映している場合でも結果は定性的に頑健で、暗黒物質支配の中心部や星形成効率の低下によって高いガス質量が生じることを示唆する。
• 本研究は、複雑な PSF と機器効果の forward-modelling を用いて、z>5.5 でのイオン化ガスの運動学を JWST/NIRSpec MOS で探査できることを示している。