[論文レビュー] Redshift Evolution of the Electron Density in the ISM at $z\sim 0-9$ Uncovered with JWST/NIRSpec Spectra and Line-Spread Function Determinations

Yuki Isobe, Masami Ouchi+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 7

ひとこと要約

この論文は [O II] 二重線から電子密度 ne を測定し、z=4.02–8.68 の 14 つの JWST/NIRSpec 星形成銀河で ne ≳ 300 cm−3（低赤方偏移銀河の固定 M*, SFR, sSFR と比較してはるかに高い）を見いだし、ne は赤方偏移とともに約 ne ∝ (1+z)^p に増加し、p は約 1–2 の範囲であることを示しています。

ABSTRACT

We present electron densities $n_{ m e}$ in the inter-stellar medium (ISM) of star-forming galaxies at $z=4-9$ observed by the JWST/NIRSpec GLASS, ERO, and CEERS programs. We carefully evaluate line-spread functions of the NIRSpec instrument as a function of wavelength with the calibration data of a planetary nebula taken onboard, and obtain secure [OII]$λλ$3726,3729 doublet fluxes for 14 galaxies at $z=4.02-8.68$ falling on the star-formation main sequence with the NIRSpec high and medium resolution spectra. We thus derive the electron densities of singly-ionized oxygen nebulae with the standard $n_{ m e}$ indicator of [OII] doublet, and find that the electron densities of the $z=4-9$ galaxies are $n_{ m e}\gtrsim 300$ cm$^{-3}$ significantly higher than those of low-$z$ galaxies at a given stellar mass, star-formation rate (SFR), and specific SFR. Interestingly, typical electron densities of singly ionized nebulae increase from $z=0$ to $z=1-3$ and $z=4-9$, which is approximated by the evolutionary relation of $n_{ m e}\propto(1+z)^{p}$ with $p\sim 1-2$. Although it is not obvious that the ISM property of $n_{ m e}$ is influenced by global galaxy properties, these results may suggest that nebula densities of high-$z$ galaxies are generally high due to the compact morphologies of high-$z$ galaxies evolving by $r_{ m e}$ approximately proportional to $(1+z)^{-1}$ ($r_{ m vir} \propto (1+z)^{-1}$) for a given stellar (halo) mass whose inverse square corresponds to the $p\sim 2$ evolutionary relation. The $p\sim 1-2$ evolutionary relation can be explained by a combination of the compact morphology and the reduction of $n_{ m e}$ due to the high electron temperature of the high-$z$ metal poor nebulae.

研究の動機と目的

• IS M 電子密度が z~0 から z~9 へとどのように進化するかを理解する動機付け。
• JWST/NIRSpec データのためのライン広がり関数 determinations を用いて ne(O II) の頑健な測定を提供。
• 高赤方偏移で ne が銀河全体の性質（質量 M*, SFR, sSFR）に依存するかを評価。
• ne の赤方偏移進化を定量化し、低赤方偏移の傾向と比較して初期宇宙の ISM 条件を解釈。

提案手法

• JWST/NIRSpec の LSF を惑星状星雲を用いて導出し、[O II] 3726, 3729 のデブレンディングを行う。
• Intrinsic 線幅 σ_int を、LSF に畳み込んだガウス分布を [O III] 5007（および 4959）へ適合させて制約する。
• 3 本のガウス（[O II] 3726, 3729 および LSF）を適合させ、デブレンディング後の [O II] フ flux を得る。
• PyNeb を用いて [O II] 二重線比を電子密度 ne に変換し、Te が利用可能な場合はそれを採用し、そうでない場合は Te ≈ 15,000 K とする。
• スペクトル誤差に関してモンテカルロシミュレーションを実施して ne の不確かさを推定する。
• モックスペクトラム回収を用いて R~1000 対 R~2700 データを横断検証し ne の決定の頑健性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移の星形成銀河における [O II] 二重線で追跡される電子密度はどの程度か。
• RQ2 z≈4–9 の ne は z≈0–3 の同程度の質量または星形成銀河とどう比較されるか。
• RQ3 高赤方偏移で ne は質量、SFR、sSFR に顕著な依存性を示すか。
• RQ4 ne の赤方偏移進化は何か。それは ne ∝ (1+z)^p によって記述できるか。
• RQ5 観測された ne の進化を説明する物理的要因（形態、温度など）は何か。

主な発見

• z=4.02–8.68 の 14 個の JWST 銀河は ne ≳ 300 cm−3 であり、固定 M*, SFR, sSFR の低赤方偏移銀河より高かった。
• 中位 ne 値は z≈0 から z≈1–3、さらに z≈4–9へと上昇し、赤方偏移傾向は ne ∝ (1+z)^p に近づき、p は約 1–2。
• 高赤方偏移での ne の高まりは、金属欠乏星雲の高温と密度分布の影響（コンパクトな銀河形態と相まって）による可能性があり、またはその組み合わせで説明される。
• 低赤方偏移の外挿傾向との比較は、高赤方偏移の ne の進化が ne ∝ (1+z) と ne ∝ (1+z)^2 の期待値の間に位置し、p は概ね ~1–2 の範囲であることを示唆する。
• 本研究は機器の線広がり効果を注意深く考慮し、Te 測定が利用可能な場合はそれを用いて ne を制約している。