[論文レビュー] On the observability and identification of Population III galaxies with JWST

James Trussler, Christopher J. Conselice+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を用いた高赤方偏移の第3星族銀河の検出可能性と同定可能性を評価し、深紫外赤外カメラ（NIRCam）および中赤外カメラ（MIRI）の深紫外赤外フィルタを用いたF444W–F560WおよびF560W–F770W色カットが、最も信頼性の高い選別法であると判明した。決定的な識別子は、高い等価幅を示すヘリウムII λ1640線の発光であり、5σ検出には超深紫外赤外分光計測（10–250時間）が必要であるが、中程度のレンズ効果またはより高い銀河質量があれば、積分時間は短縮可能である。

ABSTRACT

We utilise theoretical models of Population III stellar+nebular spectra to investigate the prospects of observing and accurately identifying Population III galaxies with JWST using both deep imaging and spectroscopy. We investigate a series of different colour cuts, finding that a combination of NIRCam and MIRI photometry through the F444W-F560W, F560W-F770W colours offers the most robust identifier of potential $z=8$ Pop III candidates. We calculate that NIRCam will have to reach $\sim$28.5-30.0 AB mag depths (1-20 h), and MIRI F560W must reach $\sim$27.5-29.0 AB mag depths (10-100 h) to achieve $5σ$ continuum detections of $M_* = 10^6~\mathrm{M}_\odot$ Pop III galaxies at $z=8$. We also discuss the prospects of identifying Pop III candidates through slitless and NIRSpec spectroscopic surveys that target Ly$α$, H$β$ and/or He II $λ1640$. We find small differences in the H$β$ rest-frame equivalent width (EW) between Pop III and non-Pop III galaxies, rendering this diagnostic likely impractical. Instead, we find that the detection of high EW He II $λ1640$ emission will serve as the definitive Pop III identifier, requiring (ultra-)deep integrations (10-250 h) with NIRSpec/G140M for $M_*=10^6~\mathrm{M}_\odot$ Pop III galaxies at $z=8$. However, MIRI F770W detections of Pop III galaxies will require substantial gravitational lensing ($μ=10$) and/or fortuitous imaging of exceptionally massive ($M_* = 10^7~\mathrm{M}_\odot$) Pop III galaxies. Thus, NIRCam medium-band imaging surveys that can search for high EW He II $λ1640$ emitters in photometry may perhaps be a viable alternative for finding Pop III candidates.

研究の動機と目的

• JWSTの画像および分光能力を用いて、z ≈ 8における第3星族銀河の検出および同定の可能性を評価すること。
• NIRCamおよびMIRIデータからの高赤方偏移の第3星族候補を選別するための最適なフィルタ色カットを特定すること。
• JWST機器を用いた第3星族銀河の連続スペクトルおよび線スペクトル検出に必要な感度要件を評価すること。
• 第3星族銀河と非第3星族銀河を明確に区別できる、最も信頼性の高い分光的診断法を同定すること。
• 重力レンズ効果および固有の銀河質量が、検出に要する積分時間の短縮に果たす役割を検討すること。

提案手法

• z ≈ 8における第3星族星およびネビュラスペクトルの理論的モデルを用いて、ブロードバンドフィルタによる合成的光度および線スペクトル特徴をシミュレートした。
• NIRCamおよびMIRIフィルタを用いた、M* = 10⁶ M☉の第3星族銀河の5σ連続スペクトル検出に必要なAB等級の深さを計算した。
• ヘリウムII λ1640線を中心とする中帯フィルタを用いた、高等価幅発光体の同定を目的とした、光度的選別戦略を評価した。
• NIRSpec/G140MおよびG395Mを用いた分光計測観測をシミュレートし、5σの有意水準におけるヘリウムII λ1640およびHβ線の検出可能性を評価した。
• NIRSpec G395MデータにおけるHβ線の検出および[O iii] λ5007の非検出から得られる金属量制約を評価した。
• 重力レンズ効果（μ = 2–3、10）および第3星族銀河の星質量（2–3×10⁶ M☉、最大10⁷ M☉）の変動が検出可能性に与える影響を組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NIRCamおよびMIRIバンドにおけるどの光度的色カットが、z ≈ 8の第3星族銀河候補を最も信頼性高く同定できるか？
• RQ2 z ≈ 8におけるM* = 10⁶ M☉の第3星族銀河の5σ連続スペクトル検出に、NIRCamおよびMIRIが必要とする積分深度（AB等級）はどの程度か？
• RQ3 JWST分光計測において、HβまたはヘリウムII λ1640線の発光が、第3星族銀河と非第3星族銀河を明確に区別するための決定的診断に用いられるか？
• RQ4 z ≈ 8における第3星族銀河のヘリウムII λ1640線の5σ検出を達成するには、NIRSpec分光計測の積分時間はどの程度必要か？
• RQ5 中程度の重力レンズ効果またはより高い固有銀河質量が、第3星族銀河検出に要する積分時間の短縮にどの程度寄与するか？

主な発見

• NIRCamおよびMIRIの光度測定において、F444W–F560WおよびF560W–F770W色カットが、z ≈ 8の第3星族銀河候補を同定する上で最も信頼性の高い方法を提供する。
• NIRCamでは、M* = 10⁶ M☉の第3星族銀河の5σ連続スペクトル検出に、深さが約28.5–30.0 AB mag（1–20時間）が必要であり、MIRI F560Wでは約27.5–29.0 AB mag（10–100時間）が必要である。
• 高い等価幅を示すヘリウムII λ1640線の発光が、第3星族銀河を同定する上で最も信頼性の高い分光的識別子であり、NIRSpec/G140Mを用いた5σ検出には10–250時間の積分が必要である。
• 第3星族銀河と非第3星族銀河との間でHβ線の等価幅に顕著な差がないため、同定の実用的診断法としての役割は限定的である。
• 中程度のレンズ効果（μ = 2–3）または高い銀河質量（2–3×10⁶ M☉）があれば、ヘリウムII λ1640線の検出は、中規模のJWST保証時間観測プログラムで実現可能になる。
• MIRI F770Wでの第3星族銀河の検出には、μ ≈ 10のレンズ効果または極めて質量の大きな銀河（M* = 10⁷ M☉）が必要であり、強力なレンズ効果がないと極めて困難である。