[論文レビュー] JADES: The incidence rate and properties of galactic outflows in low-mass galaxies across 3 < z < 9

Stefano Carniani, Giacomo Venturi+31 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 14被引用数 12

ひとこと要約

本研究は JADES の ultra-deep JWST/NIRSpec スペクトルを用いて、3 < z < 9 の低質量星系52個で電離アウトフローを同定し、発生率は25–40%、中位アウトフロー速度は約500 km/s、質量ロードファクターは約2、アウトフローがCGM/IGMへ逃げ出し富化できることを示す。

ABSTRACT

We investigate the incidence and properties of ionized gas outflows in a sample of 52 galaxies with stellar mass between $10^7$ M$_{\odot}$ and $10^9$ M$_{\odot}$ observed with ultra-deep JWST/NIRSpec MSA spectroscopy as part of the JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). The high-spectral resolution (R2700) NIRSpec observations allowed us to identify for the first time the signature of outflows in the rest-frame optical nebular lines in low-mass galaxies at $z&gt;3$. The incidence fraction of ionized outflows, traced by broad components, is about 25-40$\%$ depending on the intensity of the emission lines. The low incidence fraction might be due to both the sensitivity limit and the fact that outflows are not isotropic but have a limited opening angle which results in a detection only when this is directed toward our line of sight. Evidence for outflows increases slightly with stellar mass and star-formation rate. The median velocity and mass loading factor (i.e., the ratio between mass outflow rate and star formation rate) of the outflowing ionized gas are 350 km s$^{-1}$ and $η=2.0^{+1.6}_{-1.5}$, respectively. These are 1.5 and 100 times higher, respectively than the typical values observed in local dwarf galaxies. These outflows are able to escape the gravitational potential of the galaxy and enrich the circum-galactic medium and, potentially, the inter-galactic medium. Our results indicate that outflows can significantly impact the star formation activity in low-mass galaxies within the first 2 Gyr of the Universe.

研究の動機と目的

• JWST/NIRSpec データを用いて、3 < z < 9 の低質量星系 (M* < 10^10 Msun) における電離ガスアウトフローの発生率と性質を調べる。
• アウトフローの運動学（速度、分散）と質量ロードを定量化し、脱出速度と比較してCGM/IGM の富化の可能性を評価する。
• ホスト銀河の属性（星形成量、SFR、sSFR）に対するアウトフローの発生率と性質の依存性を探索する。
• 観測されたアウトフローが初期宇宙の星形成とフィードバックに与える影響を評価する。

提案手法

• 3.5 < z < 8.5 かつ M* が 10^6.7–10^9.2 Msun の 52 個の銀河を、NIRSpec G395H/F290LP スペクトルで SNR > 5 を満たす [OIII] または Hα の検出を用いて選択する。
• ネストドサンプリングを用いた多成分ガウシアンフィットにより、狭い成分（ディスク）と広い成分（アウトフロー）を分離する。
• モデル：sigma_broad = sigma_narrow * delta_sigma および A_broad = A_narrow * delta_A を持つ二つのガウシアン、事前分布と delta_sigma > 1.2 および delta_A < 0.5 の要件を用いる。
• アウトフローの有無を判断する基準： (i) χ^2 の改善が 10%、 (ii) ベイズ証拠の Delta log K > 2、 (iii) 広い成分のフラックスが 3 σ 以上、及び視覚的チェック。
• v_out を |v_broad - v_narrow| + 2*sigma_broad,deconv として計算し、sigma_broad,deconv は instrumental LSF をデconvolution して用いる。
• L(Hα) または L([OIII]) から M_out を推定し、dotM_out と質量ロード因子 eta = dotM_out / SFR を導出する。
• アウトフローの速度を銀河の脱出速度と比較し、Hernquist ディスク＋NFW ホラーモデルを用いて CGM/IGM 富化の可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3 < z < 9 の低質量銀河 (M* < 10^10 Msun) のどれくらいの割合が rest-frame optical nebular lines で検出可能な電離アウトフローをホストしているか？
• RQ2 これらの電離アウトフローの典型的な速度、速度分散、質量ロード因子はどの程度か？
• RQ3 低質量・高赤方偏移銀河のアウトフローは銀河ポテンシャルを脱出し CGM/IGM を富化するのに十分なエネルギーを持つか？
• RQ4 アウトフローの発生率と性質は、星形成量、SFR、特異的SFR（sSFR）などの宿主銀河特性とどう関連するか？

主な発見

• サンプルのアウトフロー発生率は、発光線の SNR によって約 25–40%。
• 中位アウトフロー速度は約 500 km/s。
• 質量ロード因子は eta = 2.1^{+2.5}_{-1.6}。
• アウトフローの速度は平均して推定された銀河の脱出速度のおよそ3倍であり、ガスが銀河を脱出して CGM/IGM を富化できることを示唆。
• アウトフローは局所的な矮星より約2倍速く、z > 4 では速度の進化は制限的。
• アウトフローの発生は、星質量と星形成率と正の傾向を示す一方、速度と SFR あるいは M* との間には強い全局的傾向は見られない。
• アウトフローは宇宙の初期約2 Gyr の間、低質量銀河の星形成活動に影響を及ぼす可能性がある。