[論文レビュー] Little Red Dots: an abundant population of faint AGN at z~5 revealed by the EIGER and FRESCO JWST surveys

Jorryt Matthee, Rohan P. Naidu+26 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 37

ひとこと要約

著者らは JWST EIGER および FRESCO データを用いて z~4–6 で広い H-α 放出源を探し、20 件の broad-line H-α 放出源を同定し、SMBH 質量 ~10^7–10^8 Msun の faint AGN を推定し z~5 で予想以上に高い数密度を示す。

ABSTRACT

Characterising the prevalence and properties of faint active galactic nuclei (AGN) in the early Universe is key for understanding the formation of supermassive black holes (SMBHs) and determining their role in cosmic reionization. We perform a spectroscopic search for broad H$α$ emitters at $z\approx4-6$ using deep JWST/NIRCam imaging and wide field slitless spectroscopy from the EIGER and FRESCO surveys. We identify 20 H$α$ lines at $z=4.2-5.5$ that have broad components with line widths from $\sim1200-3700$ km s$^{-1}$, contributing $\sim30-90$ % of the total line flux. We interpret these broad components as being powered by accretion onto SMBHs with implied masses $\sim10^{7-8}$ M$_{\odot}$. In the UV luminosity range M$_{ m UV}=-21$ to $-18$, we measure number densities of $\approx10^{-5}$ cMpc$^{-3}$. This is an order of magnitude higher than expected from extrapolating quasar UV luminosity functions. Yet, such AGN are found in only $<1$ % of star-forming galaxies at $z\sim5$. The SMBH mass function agrees with large cosmological simulations. In two objects we detect narrow red- and blue-shifted H$α$ absorption indicative, respectively, of dense gas fueling SMBH growth and outflows. We may be witnessing early AGN feedback that will clear dust-free pathways through which more massive blue quasars are seen. We uncover a strong correlation between reddening and the fraction of total galaxy luminosity arising from faint AGN. This implies that early SMBH growth is highly obscured and that faint AGN are only minor contributors to cosmic reionization.

研究の動機と目的

• z~5 における広い H-α 放出を通じて faint AGN の出現頻度を定量化する。
• 広い線 H-α 放出源とそれらの SMBH の性質を特徴づける。
• faint AGN が宇宙再電離に著しく寄与しているか を評価する。
• 観測された AGN の数密度をクエーサーの UV 光度関数およびシミュレーションと比較する。

提案手法

• JWST NIRCam 画像と EIGER および FRESCO からの広域スリットレス分光を組み合わせ、z=4.0–6.0 の flux-limited H-α サンプルを構築する。
• 広い H-α 成分を、グリズムスペクトルに対して狭線+広線ガウス分布を適合させて識別する（広成分の S/N > 5）。
• 空間的に解像された抽出と混入クリーニングを実施し、中心星系と近接隣接体を区別する。
• 広い H-α および狭い H-α フラックスを抽出し、広い成分の FWHM を導くための多成分モデルを適合させる（典型的には約 2000 km/s）。
• H-α 光度と線比（[NII] を含む）を推定し、X 線検出なしでも AGN 起源を主張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z~4–6 における broad H-α を持つ faint AGN の空間密度はどのくらいか。
• RQ2 高赤方偏移での broad H-α 放出が示唆する SMBH 質量と accretion 特性は何か。
• RQ3 z~5 の faint AGN 集団は紫外線光度関数の外挿およびシミュレーションとどう比べるべきか。
• RQ4 faint AGN は再電離に大きく寄与するのか、それとも主に覆われているのか。

主な発見

• z=4.2–5.5 の broad-line H-α 放出源を 20 件同定し、広い成分は総 H-α フラックスの約 30–90% を占める。
• broad H-α 線幅は約 1200–3700 km/s に及び、推定 SMBH 質量は約 10^7–10^8 Msun。
• UV 光度範囲 M_UV,AGN+host ≈ -21 〜 -18 では数密度は約 1e-5 cMpc^-3、単純なクエーサー LF 外挿より一オーダー高いが、これらの AGN は z~5 の星形成銀河の <1% に存在する。
• これらの源の SMBH 質量関数は大規模宇宙論的シミュレーションと一致する。
• 星系全体の光度に対する赤化と AGN 成分の強い相関が見られ、初期 SMBH の成長が heavily obscured であり、faint AGN は再電離への寄与が modest であることを示唆する。
• 二つの対象で複雑な H-α プロファイルの証拠があり、密ガスからの吸収兆候および初期の AGN feedback の可能性を示唆する。