[論文レビュー] Statistics for Galaxy Outflows at $z\sim 6-9$ with Imaging and Spectroscopic Signatures Identified with JWST/NIRCam and NIRSpec Data

Yechi Zhang, Masami Ouchi+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、JWST/NIRCamおよびNIRSpecデータを用いて、赤方偏移z≈6–9の61個の高赤方偏移銀河におけるイオン化ガスの噴流を分析し、[O iii]線が空間的に拡張している銀河が5つ、広い[O iii]線を示す銀河が5つであることを特定した。これは、星形成によるフィードバックによって駆動される広範な噴流が存在することを示唆している。低赤方偏移銀河と比較して、高赤方偏移銀河では拡張ガスの割合が顕著に高いことから、初期の銀河では頻繁なマajor合体が長期間にわたる噴流サイクルを引き起こしていた可能性がある。

ABSTRACT

We present statistics of $z\sim 6-9$ galaxy outflows indicated by spatially-extended gas emission and broad lines. With a total of 61 spectroscopically confirmed galaxies at $z\sim 6-9$ in the JWST CEERS, GLASS, and ERO data, we find four galaxies with [O{\sc iii}]+H$β$ ionized gas emission significantly extended beyond the kpc-scale stellar components on the basis of the emission line images constructed by the subtraction of NIRCam broadband (line on/off-band) images. By comparison with low-$z$ galaxies, the fraction of galaxies with the spatially extended gas, 4/18, at $z\sim 6-9$ is an order of magnitude higher than those at $z\sim 0-1$, which can be explained by events triggered by frequent major mergers at high redshift. We also investigate medium- and high-resolution NIRSpec spectra of 30 galaxies at $z\sim 6-9$, and identify five galaxies with broad ($140-800$ km s$^{-1}$) lines in the [O{\sc iii}] forbidden line emission, suggestive of galaxy outflows. One galaxy at $z=6.38$ shows both the spatially-extended gas emission and the broad lines, while none of the galaxies with the spatially-extended gas emission or broad lines present a clear signature of AGN either in the line diagnostics or Type 1 AGN line broadening ($>1000$ km s$^{-1}$), which hint outflows mainly driven by stellar feedback. The existence of galaxies with/without spatially-extended gas emission or broad lines may be explained by different viewing angles towards outflows, or that these are galaxies in the early, late, post phases of galaxy outflows at high redshift, where the relatively large fractions of such galaxies indicate the longer-duration and/or more-frequent outflows at the early cosmic epoch.

研究の動機と目的

• z≈6–9における高赤方偏移銀河のイオン化ガスの噴流の広がりと物理的起源を調査すること。
• 空間的に拡張した[O iii]線および広帯域発光線—噴流の兆候—が、低赤方偏移宇宙と比較して高赤方偏移でどれほど頻繁に観測されるかを特定すること。
• 線幅プロファイルおよび診断法を用いて、噴流を駆動するメカニズム（星形成フィードバック対AGN）を区別すること。
• 空間的拡張性と広帯域線の共存・非共存状況を分析することで、噴流の進化段階（初期、後期、後処理段階）を明らかにすること。
• 拡張イオン化ガスおよび継続的噴流を示す銀河の割合を定量的に評価し、初期銀河進化におけるその役割を評価すること。

提案手法

• NIRCamのバンド幅（オン/オフ）データから星形成成分を差し引いて、[O iii]発光線画像を構築した。
• 61個の分光的に確認済み銀河において、[O iii]発光の形状をkpcスケールの星形成成分と比較し、空間的に拡張した[O iii]発光を同定した。
• 30個の銀河の中間および高分解能NIRSpecスペクトルを分析し、幅広い[O iii]発光線（FWHM = 140–800 km s⁻¹）を検出することで、噴流を示す兆候を特定した。
• 二重ガウス関数フィットを用いて、噴流に起因する広帯域成分を分離した。
• 最大噴流速度と脱出速度の比（v_max/v_esc < 1）を用いて、噴流の放出効率を評価した。この比が1未満であることは、ガスがダークマター・ハローから脱出する可能性が低いことを示し、CGM内にガスが保持されている可能性を示唆する。
• ライン診断（例：BPT比）およびType 1 AGNの線幅拡張（>1000 km s⁻¹）の不在を用いて、AGN寄与を除外した。

Figure 1: Filter response curves of JWST/NIRCam F277w, F356w, and F444w broadband filters overplotted with example spectra of SF galaxies at $z\sim 6$ and 8. At $z\sim 6$ , H $\beta$ +[O iii ] emission lines are covered by F356w filter while F277 filter traces the optical continuum. At $z\sim 8$ , H

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z≈6–9の銀河のうち、どの程度の割合がそのkpcスケールの星形成成分をはるかに超えて空間的に拡張した[O iii]発光を示しているか？
• RQ2 z≈6–9の銀河は、イオン化ガスの噴流を示す広帯域[O iii]発光線をどの程度の頻度で示しているか？
• RQ3 スペクトル的および形態的診断法に基づき、観測された噴流は主に星形成フィードバックによるものか、AGN活動によるものか？
• RQ4 噴流の進化段階という文脈において、空間的に拡張したガスと広帯域発光線の関係は何か？
• RQ5 観測された噴流統計は、低赤方偏移銀河と比較してどう異なるか？また、これはマajor合体が噴流を誘発する役割を果たしているという仮説に何を示唆するか？

主な発見

• z≈6–9の61個の銀河のうち5つ（8.2％）が、kpcスケールの星形成成分をはるかに超えて空間的に拡張した[O iii]発光を示しており、これはz≈0–1の銀河と比較して1桁高い割合である。
• 5つの銀河が広帯域[O iii]発光線（140–800 km s⁻¹）を示しており、これは継続的かつイオン化ガスの噴流が進行中であることを示している。そのうち1つの銀河（ERO_05144）は、拡張発光と広帯域線の両方を示している。
• 全5つの噴流特定銀河で、v_max/v_esc < 1 が確認された。これは、イオン化ガスがダークマター・ハローから脱出する可能性が低く、CGM内にガスが保持されている可能性を示唆している。
• 拡張発光または広帯域線を示す銀河のいずれに対しても、ライン診断やType 1 AGNの線幅拡張（>1000 km s⁻¹）による明確なAGNシグナルは確認されず、星形成フィードバックが主な駆動要因である可能性が支持された。
• 拡張発光はありつつ広帯域線のない銀河と、逆に広帯域線はありつつ拡張発光のない銀河が共存していることから、初期、後期、後処理段階を含むサイクル的噴流モデルが示唆された。
• 高赤方偏移で拡張ガスの割合が高いのは、初期宇宙における頻繁なマajor合体が、噴流の後処理段階を延長するか、噴流効率を高める可能性があるためである。

Figure 2: $M_{*}-\mathrm{SFR}$ relation for galaxies at $z=5.4-8.9$ in the Nakajima et al. ( 2023 ) spectroscopic sample. Galaxies observed with medium- or high- resolution (Prism) spectra are labelled with circles (squares). The filled red symbols indicate the galaxies with spatially extended [O ii